Przewodnik projektowania połączeń termicznych

Jedną z najczęstszych wad montażowych PCB omawianych w przewodnikach dotyczących DFA jest efekt tombstoning, a drugą najczęstszą są prawdopodobnie zimne luty, przy czym te ostatnie są szczególnie wskazywane w odniesieniu do wyprowadzeń przewlekanych. Choć te dwa zjawiska mogą wydawać się niezwiązane, oba wynikają z odpływu ciepła z wyprowadzenia lub pada elementu. W projektowaniu PCB problem ten rozwiązuje się przez dodanie odciążenia termicznego do danego elementu, tak aby podczas lutowania ciepło było utrzymywane lokalnie.

Powstaje więc pytanie: kiedy należy stosować pady termiczne i które elementy będą ich wymagały? Niektóre wytyczne DFA przedstawiają stosowanie padów termicznych jako coś potrzebnego wszędzie, a czasem domyślna reguła projektowa w PCB lub w projekcie wymusza to w całym projekcie. W tym poradniku omówimy, jak dobrać właściwe ustawienia dla odciążenia termicznego i gdzie je stosować.

Gdzie stosować odciążenia termiczne

Poniżej pokazano prosty przykład odciążenia termicznego w układzie PCB. Takie odciążenia termiczne składają się z małych szprych łączących miedź z padem elementu SMD lub wyprowadzeniem przewlekanym. Odciążenia termiczne są stosowane automatycznie przez narzędzie CAD, więc nie trzeba ręcznie rysować tych połączeń w postaci wąskich ścieżek lub obszarów wypełnienia.

Odciążenia termiczne na wyprowadzeniach przewlekanych.

Widzimy tu dwa przypadki, w których zaleca się stosowanie odciążeń termicznych:

• Na padach SMD definiowanych przez maskę, tj. padach na polu miedzi
• Na wyprowadzeniach przewlekanych, gdzie pad łączy się z płaszczyzną

Odciążenia termiczne nie są konieczne w następujących przypadkach

• Na padach SMD definiowanych przez maskę, które łączą się z małym polem miedzi
• Na padach wyprowadzeń przewlekanych połączonych z małym polem miedzi
• Na przelotkach łączących się z polami miedzi lub płaszczyznami, nawet jeśli pole łączy się z padem SMD

Ostatni punkt jest bardzo ważny, ponieważ technicznie możliwe jest zastosowanie odciążenia termicznego na przelotce. Szczerze mówiąc, nie ma żadnej korzyści z umieszczania odciążenia termicznego na przelotce, która łączy się z polem miedzi połączonym również z padem SMD. Jeśli potrzebujesz odciążenia termicznego, po prostu zastosuj je na padzie SMD zamiast na przelotce. Celem jest ograniczenie przepływu ciepła do pada SMD, a nie umożliwienie jego rozpraszania się po dużym obszarze miedzi.

Po lewej: odciążenie termiczne na wyprowadzeniach przewlekanych dla listwy pinowej. Po prawej: odciążenia termiczne na padach SMD połączonych z polem miedzi na tej samej warstwie.

Istnieje kilka innych przypadków, w których odciążenia termiczne nie są potrzebne, szczególnie dla elementów SMD. Należą do nich:

• Gdy połączenie z polem miedzi wygląda bardzo podobnie do ścieżki
• Na padach die-attached w układach scalonych
• Gdy można zagwarantować równomierne nagrzewanie całej płytki podczas lutowania

Ostatni punkt odnosi się do procesu lutowania. W przypadku lutowania rozpływowego znacznie rzadziej zachodzi potrzeba stosowania padów termicznych wszędzie. Jednak jeśli wszystkie elementy SMD, szczególnie pasywne, będą lutowane ręcznie, sensowne może być dodanie odciążeń termicznych do padów SMD tych elementów. Lutowanie gorącym powietrzem lub na płycie grzewczej jest nieco trudne do jednoznacznej oceny, ponieważ bardzo mocno zależy od umiejętności montera i używanego sprzętu.

Kiedy pole miedzi jest duże?

To ważne pytanie, ponieważ od niego zależy, kiedy stosować odciążenia termiczne na wyprowadzeniach przewlekanych lub na padach SMD. W przypadku elementów przewlekanych zwykle stosujemy odciążenie termiczne na połączeniu z płaszczyzną. Jeśli jednak zamiast warstwy płaszczyzny używamy pola miedzi na jednej z warstw, mamy w istocie tę samą sytuację: duży obszar miedzi, który może odprowadzać ciepło z wyprowadzenia i dlatego może wymagać odciążenia termicznego. Ten sam efekt występuje przy elemencie SMD umieszczonym na obszarze miedzi, na przykład na dużym wypełnieniu miedzi jednej z warstw zewnętrznych.

Ale jeśli połączysz jeden z tych elementów z poligonem na którejś warstwie, czy każdy taki poligon musi mieć odciążenie termiczne? Uważam, że odpowiedź brzmi „nie”.

• Gdy pole miedzi jest bardzo małe, wygląda podobnie do ścieżki i odciążenie termiczne nie powinno być konieczne.
• Gdy pole miedzi na warstwie wewnętrznej jest bardzo duże, przypomina płaszczyznę i odciążenie termiczne będzie konieczne dla wyprowadzeń przewlekanych.
• Gdy pole miedzi na warstwie zewnętrznej jest na tyle duże, że wypełnia większość powierzchni, również przypomina płaszczyznę i odciążenie termiczne będzie konieczne.

Pomiędzy bardzo małymi a bardzo dużymi polami miedzi istnieje punkt, w którym odciążenie termiczne na wyprowadzeniu lub padzie elementu zaczyna być potrzebne. Bardzo trudno przewidzieć, gdzie on leży, bez przeprowadzenia testów na kuponie testowym dla dużej partii płytek podczas lutowania. Należy też oczekiwać różnicy między lutowaniem rozpływowym a ręcznym. Choć można to symulować, lepszym podejściem jest zaakceptowanie faktu, że moment, w którym odciążenia termiczne stają się konieczne, trzeba określić na podstawie kontroli jakości zmontowanych płytek.

Jak projektować odciążenia termiczne?

Projektanci nie muszą wkładać ogromnego wysiłku w tworzenie odciążenia termicznego. Zazwyczaj wystarczające jest proste połączenie szprychowe z czterech stron wyprowadzenia lub pada. Rozmiar szprych, szerokość ścieżek oraz odstęp lub wielkość otwarcia należy dobrać tak, aby elementy brzegowe nie były zbyt małe. Nie należy robić szprych pada tak cienkich, aby zejść poniżej limitu trawienia. Należy też zapewnić dostatecznie duże otwarcie wokół pada, aby pozostać powyżej minimalnego wymaganego odstępu.

Zazwyczaj ścieżki 8 mil i odstęp 10 mil będą odpowiednie dla większości elementów. W przypadku znacznie mniejszych elementów pasywnych o małych obudowach, montowanych z dużą gęstością, szerokość ścieżek i odstęp można zmniejszyć, aby połączenia zmieściły się wokół pada.

Odciążenie termiczne zastosowane na niestandardowym padzie w Altium.

Projektowanie odciążeń termicznych w Altium

Altium oferuje wiele sposobów implementacji padów z odciążeniem termicznym dla elementów SMD i przewlekanych. Można je stosować globalnie lub selektywnie w następujący sposób:

• Stosowanie stylu odciążenia termicznego za pomocą reguły projektowej połączenia z płaszczyzną lub poligonem
• Stosowanie padów z odciążeniem termicznym za pomocą reguły projektowej, ale z zakresem ustawionym na określone footprinty lub klasy komponentów
• Stosowanie odciążenia termicznego do konkretnego pada SMD lub wyprowadzenia przewlekanego na podstawie właściwości pada/wyprowadzenia

System reguł projektowych i system zapytań w Altium pozwalają dowolnie łączyć te podejścia dla różnych typów elementów lub grup elementów. Jeśli korzystasz z reguł projektowych, zawsze będziesz mieć możliwość ręcznego zastosowania odciążenia termicznego do konkretnych wyprowadzeń przewlekanych lub padów SMD.

Aby dowiedzieć się więcej o stosowaniu padów z odciążeniem termicznym w układzie PCB, sprawdź te linki w dokumentacji Altium:

• Polygon Connect Style
• Defining Custom Thermal Reliefs

Niezależnie od tego, czy tworzysz niezawodną elektronikę mocy, czy zaawansowane systemy cyfrowe, Altium Develop łączy wszystkie dziedziny w jedną współpracującą całość. Bez silosów. Bez ograniczeń. To miejsce, w którym inżynierowie, projektanci i innowatorzy pracują jak jeden zespół, współtworząc bez barier. Poznaj Altium Develop już dziś!