Przegląd zarządzania termicznym oporem PCB za pomocą termicznych przelotek

Projektowanie PCB i zarządzanie ciepłem są ściśle ze sobą powiązane, ponieważ problemy termiczne są znane z istotnego skracania użytecznego czasu życia płytki obwodu drukowanego i komponentów. Ciepło generowane na płytce obwodu przez komponenty aktywne i pasywne ma tendencję do zatrzymywania się w pobliżu komponentów, prowadząc do dużego wzrostu temperatury z powodu niskiej przewodności cieplnej większości podłoży płytek obwodów. Częste cykle zmian temperatury płytki i komponentów między wysokimi a niskimi wartościami mogą zmniejszyć trwałość systemu i prowadzić do przedwczesnej awarii komponentów lub miedzianych przewodników.

Każdy projektant powinien rozważyć, jak zarządzać ciepłem generowanym przez swoje komponenty, używając kombinacji strategii. Wśród tych różnych strategii, projektanci mogą korzystać z termicznych podkładek i radiatorów na każdym aktywnym komponencie, kreatywnego wykorzystania płaszczyzn miedzianych na wewnętrznych warstwach, materiałów podłoża o wysokiej przewodności cieplnej oraz termicznych przelotek w pobliżu komponentów aktywnych, które rozpraszają dużą moc. Strategiczne rozmieszczanie komponentów jest również ważne, aby zapobiegać tworzeniu się punktów gorących na twojej płytce obwodu drukowanego.

Dzięki narzędziom do projektowania i analizy w Altium Designer możesz opracować strategię, która pomoże utrzymać temperaturę Twojej płytki w akceptowalnych granicach, pomimo wysokiej rezystancji termicznej większości materiałów substratowych PCB. Narzędzia do układania PCB pozwalają na projektowanie płytki z termicznymi przelotkami, pasywnymi i aktywnymi środkami chłodzenia oraz substratami o wysokiej przewodności cieplnej i niestandardowym stosie warstw.

ALTIUM DESIGNER

Zintegrowana platforma do projektowania PCB, która łączy zaawansowane funkcje układania PCB z kompleksowymi funkcjami projektowania przelotek i padów.

Komponenty na dowolnej płytce drukowanej będą generować pewną ilość ciepła podczas działania, a proaktywny projektant podejmie kroki, aby zwalczać nadmierne wzrosty temperatury podczas pracy. Jeśli kiedykolwiek widziałeś podkręcony komputer do gier, to jesteś zaznajomiony z masowymi wentylatorami chłodzącymi, a nawet systemami chłodzenia cieczą, używanymi do usuwania ciepła z kart graficznych i procesorów. Prawdopodobnie Twoja PCB nie będzie potrzebować tak ekstremalnych środków rozpraszania ciepła. Jednakże, powinieneś rozważyć, jak usunąć ciepło z komponentów i wyprodukować równomierny rozkład temperatury na całej płytce.

Wysoka oporność termiczna wielu podłoży płytek obwodów może powodować powstawanie punktów gorących w pobliżu aktywnych komponentów. Te punkty gorące mają tendencję do gromadzenia się wokół komponentów, które generują znaczną ilość ciepła. Spośród różnych metod zwalczania wzrostu temperatury na PCB, przelotki termiczne są szczególnie użyteczne do odprowadzania ciepła od aktywnych komponentów do wewnętrznej warstwy układu.

Umieszczenie przelotek termicznych pod padem z przyklejoną łopatką, z odpowiednią gęstością liczbową, jest jedną z metod transportu ciepła do wewnętrznej warstwy płyty. Najlepsze wyniki uzyskasz, optymalizując liczbę i rozmieszczenie przelotek termicznych pod danym komponentem. Połączenie z innymi metodami chłodzenia, takimi jak użycie radiatora i termopadu na każdym aktywnym komponencie, oraz pewne aktywne środki chłodzące, pozwoli utrzymać temperaturę komponentów poniżej ich maksymalnych wartości dopuszczalnych i przedłużyć żywotność płytki obwodu.

Co to są Przelotki Termiczne?

Wiele aktywnych komponentów, takich jak urządzenia do elektroniki mocy, procesory wysokiej prędkości i komponenty wysokoczęstotliwościowe, generuje znaczące ilości ciepła podczas pracy, co wymaga od tych urządzeń stosowania pewnej metody odprowadzania ciepła, aby utrzymać ich temperaturę pracy poniżej maksymalnej dopuszczalnej. Przewierty termiczne to po prostu przewierty umieszczone pod komponentem, które przechodzą przez cały układ warstw. Te przewierty mogą być połączone z płaszczyzną masy w układzie warstw, aby przekazywać ciepło do wewnętrznej warstwy, gdzie następnie ciepło przewodzi przez warstwę masy do reszty płytki.

Przewierty termiczne mogą być umieszczone jako przewierty przelotowe, tak aby zapewniały rozpraszanie ciepła przez cały układ warstw. Pierścień okalający te przewierty termiczne powinien być widoczny przez maskę lutowniczą na powierzchniowej warstwie poniżej docelowego komponentu. Mogą one być lutowane do podkładki pod układ scalony, aby zapewnić jednolite przewodnictwo cieplne przez całą strukturę. Wypełnienie tych przewiertów epoksydem lub ich pokrycie warstwą metalu jest również dobrym pomysłem, ponieważ zapobiega to wsiąkaniu lutu na tylną stronę płytki. Jeśli zbadasz rozkład temperatury na całej płytce, zauważysz, że rozkład temperatury na powierzchni i wewnętrznej warstwie rozprzestrzenia się, oddalając się od przewiertu termicznego.

Transport ciepła od przewiertów termicznych do podłoża płytki drukowanej

Układ przewiertów termicznych pod komponentem SMD

Wiele komponentów, takich jak komponenty w obudowach QFP, zawiera przyklejoną płetwę na spodzie komponentu, a przelotki termiczne powinny być rozmieszczone w odpowiednim wzorze pod komponentem. Umieszczenie odpowiedniej liczby przelotek termicznych z odpowiednim rozstawem między nimi zoptymalizuje efektywną przewodność cieplną struktury, pozwalając na transport maksymalnej ilości ciepła do podłoża i zbliżenie temperatury do temperatury otoczenia. Ogólnie rzecz biorąc, powinieneś optować za większą liczbą przelotek termicznych, pozostając w ramach budżetu produkcyjnego.

Przykładowy rozstaw przelotek termicznych na płycie obwodu drukowanego

Jako że wiele płyt obwodów drukowanych jest projektowanych na podłożu FR4, wysoka oporność cieplna tego materiału podłoża wymaga zastosowania pewnego rodzaju metody rozpraszania ciepła, aby obniżyć temperaturę płyty. Projektanci powinni rozważyć połączenie przelotek termicznych z innymi metodami rozpraszania ciepła, aby temperatura podłoża i komponentu osiągnęła akceptowalny poziom. Jest to szczególnie ważne, jeśli twoja płyta będzie wielokrotnie cyklowana między wysokimi a niskimi temperaturami.

• Termiczne przelotki to tylko jeden z elementów szerszej strategii zarządzania ciepłem dla Twojej płytki PCB. Powinieneś włączyć inne metody odprowadzania ciepła, takie jak radiator, podkładka termiczna lub pasta oraz wentylatory chłodzące, jeśli termiczne przelotki nie odprowadzają wystarczająco dużo ciepła do wewnętrznej warstwy. Dowiedz się więcej o opracowywaniu strategii zarządzania ciepłem dla Twojej płytki PCB.
• Każda przelotka na Twojej płytce PCB wpłynie na Twój budżet produkcyjny, dlatego powinieneś starannie rozważyć proces i budżet produkcji PCB podczas umieszczania termicznych przelotek.

  Dowiedz się więcej o procesie produkcji i montażu płytek obwodów drukowanych.

• Podobnie jak w przypadku innych miedzianych przewodników na Twojej płytce PCB, termiczne przelotki powinny być umieszczane zgodnie z Twoimi zasadami projektowania i ograniczeniami.

  Dowiedz się więcej o używaniu kontroli zasad projektowania w oprogramowaniu do projektowania PCB.

Zasady projektowania przelotek, padów i poligonów w Altium Designer

Twoje podłoże, termiczne przelotki i transfer ciepła

Nawet jeśli użyjesz przelotek termicznych, nie możesz zagwarantować, że temperatura Twojej płytki spadnie do wystarczająco niskiej wartości. Jest to szczególnie prawdziwe, gdy Twoja płyta jest wdrażana w środowisku o wyższej temperaturze, lub w części Twojego systemu, która osiągnie wyższą temperaturę. Podczas gdy Twoja płyta jest w użyciu, gradient termiczny między Twoimi komponentami a środowiskiem będzie niższy, co zmniejszy szybkość transferu ciepła między gorącymi a zimnymi regionami.

To tutaj przydaje się użycie substratu o wysokiej przewodności cieplnej, który jest użyteczny do szybkiego transportowania ciepła z aktywnych komponentów. Ceramika jest jednym z najlepszych wyborów materiałów substratowych o wysokiej przewodności cieplnej. Inną opcją jest użycie płytki PCB z metalowym rdzeniem; gruby miedziany rdzeń zapewni znaczącą dyssypację ciepła w porównaniu do standardowego układu FR4. Połączenie z przelotkami termicznymi sprawi, że Twój substrat i układ pozwolą ciepłu łatwo przemieszczać się bocznie przez Twoją płytę, prowadząc do bardziej jednolitej temperatury równowagi podczas działania. Prowadzi to do bardziej jednolitego rozszerzenia termicznego Twojej PCB, co powoduje, że wewnętrzne naprężenia są mniej skoncentrowane w różnych miedzianych przewodnikach w Twoim systemie.

Inne metody zarządzania ciepłem

Inne metody zarządzania ciepłem na Twojej płytce PCB mogą zapewnić, że temperatura Twojej płytki zbliży się do temperatury otoczenia. Do tych metod należy dołączenie radiatora do procesorów wysokiej prędkości oraz innych ważnych komponentów. Termiczna podkładka na radiatorze pomaga zapewnić ścieżkę o wysokiej przewodności cieplnej dla ciepła odprowadzanego od komponentu. Jeśli na Twojej płytce znajduje się duża liczba komponentów o wysokiej mocy, możesz nie mieć innego wyboru, jak tylko dodać wentylatory do swojego projektu, aby usunąć ciepło z ważnych komponentów.

Twój materiał podłoża oraz układ warstw również powinny być zaprojektowane z myślą o transporcie ciepła z dala od powierzchniowej warstwy Twojej płytki obwodu. Wysoka przewodność cieplna miedzi w wewnętrznej warstwie Twojej PCB łatwo transportuje ciepło z dala od termicznych przelotek i w kierunku krawędzi PCB. Również rozmieszczenie komponentów jest bardzo ważne. Komponenty generujące najwięcej ciepła powinny być umieszczone bliżej środka płytki, a nie przy krawędzi, ponieważ pozwoli to na rozprzestrzenienie ciepła na większym obszarze Twojej PCB.

• Twoje termiczne przelotki powinny być zaprojektowane zgodnie z normami IPC 2152 dotyczącymi wydajności termicznej. Dowiedz się więcej o projektowaniu zgodnie z wytycznymi IPC 2152.
• Istnieje wiele pasywnych metod odprowadzania ciepła, które możesz wykorzystać, aby kontrolować temperaturę swojej płytki PCB.

  Dowiedz się więcej o pasywnych technikach zarządzania ciepłem dla Twojej płytki obwodu.

• Alternatywny materiał podłoża to doskonały wybór do przenoszenia ciepła z gorących na zimne regiony na Twojej płytce i szybkiego rozpraszania go w środowisku.

  Dowiedz się więcej o pracy z alternatywnymi materiałami podłoża.

Twój materiał podłoża i układ warstw będą określać opór termiczny na Twojej płytce

Praca z oprogramowaniem do projektowania termicznych przelotek

Oprogramowanie do projektowania termicznych przelotek wykorzystuje narzędzia CAD do definiowania standardowej geometrii dla Twoich przelotek i ich rozpiętości przez cały układ warstw. Dzięki odpowiednim narzędziom do układania płytek, możesz zaprojektować geometrię i rozmieszczenie swoich termicznych przelotek, aby stworzyć kompleksową strategię zarządzania ciepłem. Najlepsze oprogramowanie do projektowania termicznych przelotek zawiera również funkcje projektowania układu warstw. Pozwala to na definiowanie wewnętrznych warstw miedzi, które pomogą przewodzić ciepło przez całą Twoją PCB. Te narzędzia powinny być dostępne obok innych ważnych funkcji trasowania i układania, zapewniając kompleksowe rozwiązanie na jednej platformie.

Kompleksowe projektowanie i układanie termicznych przelotek w Altium Designer

Dzięki kompleksowym funkcjom układu warstw i termicznych przelotek w Altium Designer, możesz łatwo stworzyć swój układ warstw, termiczne przelotki i rozmieszczenie elementów w jednym programie. Narzędzia CAD w Altium Designer są dostępne razem z kompletnym zestawem funkcji symulacji i planowania produkcji.

• Zintegrowane środowisko projektowe w Altium Designer zapewnia wszystkie potrzebne narzędzia CAD w jednej aplikacji. Będziesz miał dostęp do ważnych funkcji projektowania i układu termicznych przelotek w jednym programie.Dowiedz się więcej o zintegrowanym projektowaniu w Altium Designer.
• Praca z oprogramowaniem do projektowania płytek obwodów z obsługą reguł pozwala na definiowanie ważnych reguł projektowych i ograniczeń dla twojej płytki. To pomaga zapewnić funkcjonalność i możliwość produkcji.Dowiedz się więcej o silniku projektowania z obsługą reguł w Altium Designer.
• Dzięki bibliotece materiałów układu warstw w Altium Designer, możesz wybrać z dużego zestawu standardowych materiałów podłoża o wysokiej lub niskiej przewodności cieplnej oraz różnych właściwościach elektrycznych.Dowiedz się więcej o bibliotece materiałów układu warstw w Altium Designer.

Narzędzia CAD i funkcje zarządzania w Altium Designer są idealne do projektowania termicznych przelotek, układu komponentów oraz rozmieszczenia środków chłodzenia aktywnego i pasywnego, wspierających transfer ciepła w całym systemie. Będziesz mógł zdefiniować układ przelotek i wymagania produkcyjne jako zasady projektowania i ograniczenia. Będziesz miał również dostęp do potężnego zestawu funkcji symulacji i analizy w jednej aplikacji. Kiedy dodasz bibliotekę układów materiałowych i obszerne biblioteki komponentów, masz wszystkie funkcje potrzebne do zaprojektowania płytek obwodów z potężną strategią zarządzania ciepłem i wprowadzenia ich do produkcji.

Tylko Altium oferuje Ci ogromny zestaw zasobów do projektowania obwodów drukowanych. Będziesz miał dostęp do forum AltiumLive, webinarów i podcastów z ekspertami branżowymi, samouczków projektowych oraz obszernej bazy wiedzy z mnóstwem wskazówek projektowych. Żadna inna firma oferująca oprogramowanie do projektowania PCB nie zapewnia takiego poziomu wsparcia. Zamiast pracować z platformami projektowania obwodów drukowanych, które oddzielają ważne funkcje projektowe w różnych aplikacjach, nadszedł czas, aby przyjąć zintegrowane podejście do projektowania i układu. Nadszedł czas, aby przejść na Altium Designer.