Utilizando Software de Simulação e Análise Térmica de PCB no Seu Fluxo de Trabalho de Design

O design de PCB segue um fluxo de trabalho específico que envolve a captura de esquemáticos, o layout de PCB e a geração de saídas. Em que momento a análise térmica e a confiabilidade devem ser inseridas no fluxo de trabalho padrão de design de PCB? Essas considerações surgem em vários pontos durante o design, pois os desafios de gerenciamento térmico criam problemas de confiabilidade em componentes e no PCBA completo.

O gerenciamento térmico em sua placa de circuito impresso foca em direcionar o calor de áreas quentes para áreas frias, reduzindo ultimamente a temperatura e produzindo uma distribuição de temperatura uniforme por toda a placa de circuito impresso. A disposição dos componentes, o empilhamento do PCB e outros componentes podem ser usados para direcionar o calor para longe de um conjunto e para dentro do invólucro, ou ele pode ser dissipado com fluxo de ar forçado. Software de design que se integra com um solucionador de campo externo ajudará você a qualificar seu empilhamento de PCB e eliminar pontos quentes no PCBA durante a operação.

ALTIUM DESIGNER

Software de design de PCB para eletrônicos avançados que se interfaceia com muitas aplicações de terceiros, incluindo software de análise térmica de PCB.

A análise térmica de PCB pode envolver múltiplas tarefas destinadas a avaliar a transferência de calor através da estrutura do PCB. Isso requer identificar onde o calor será gerado e a temperatura esperada dos componentes durante a operação, bem como entender como a estrutura de um substrato de PCB auxiliará no transporte de calor. Infelizmente, esses são problemas de múltiplas físicas complexos que envolvem solucionadores de campo para serem totalmente avaliados. Uma vez que o fluxo de ar é conduzido através do PCBA, o efeito do fluxo de ar antes da prototipagem só pode ser avaliado com simulações de CFD, algo com o qual nem todos os designers podem estar familiarizados.

Designers que têm acesso a esses solucionadores de campo avançados devem usar software de design de PCB que possa se integrar com software de análise térmica de PCB dentro do fluxo de trabalho padrão. Antes de exportar para uma ferramenta de análise térmica de PCB, há alguns passos simples que um designer pode tomar para ajudar a gerenciar a geração de calor na placa e prevenir o aumento excessivo de temperatura durante a operação.

Identificar Temperaturas Altas e Prevenir Componentes Quentes

O gerenciamento térmico de PCB foca em três áreas principais:

• Identificando o aumento excessivo de temperatura nos componentes e no substrato da placa
• Selecionando materiais para a placa que proporcionem transporte de calor e produzam uma distribuição uniforme de temperatura
• Movendo calor de áreas quentes para áreas frias através de fluxo de ar ou condução

O software de análise térmica de PCB pode ajudar com essas tarefas em vários pontos da fase de design. O melhor momento para usar o software de análise térmica de PCB é uma vez que o layout da PCB esteja completo, mas antes da prototipagem. No entanto, se você puder implementar algumas estratégias básicas de análise antes de exportar seu design para um programa de software de análise térmica de PCB, você pode reduzir a extensão de quaisquer redesigns necessários com algumas melhores práticas para integridade térmica.

Aquecimento de Componentes

Um passo que você pode tomar para auxiliar na análise térmica e garantir que identificou quaisquer componentes quentes na placa é usar valores de resistência térmica para os componentes para determinar sua temperatura operacional. Alguns componentes, obviamente, operarão em temperaturas muito altas, como grandes processadores com altas contagens de I/O. No entanto, outros componentes menores podem ficar muito quentes mesmo podendo operar dentro de seus limites operacionais. LDOs, PMICs, MMICs e alguns ASICs são ótimos exemplos. Identificá-los cedo pode ajudar a informar onde colocá-los na PCB para que recebam fluxo de ar ou se conectem a um elemento de dissipação de calor ou de volta à caixa. Outra possibilidade é separar essas partes em áreas diferentes, se possível, para que grandes pontos quentes não se desenvolvam em uma área da placa.

• Aprenda mais sobre especificações de resistência térmica.

Perda de Energia DC

A perda de energia DC é um contribuinte para a geração de calor em uma PCB, particularmente em eletrônica de potência. Design digital menor e a maioria dos designs analógicos não precisarão deste tipo de simulação. No entanto, a eletrônica de potência precisa garantir que a energia seja transferida com perda mínima, pois isso ajudará a minimizar o aquecimento e maximizar a eficiência da entrega de energia. As perdas de energia DC no seu sistema podem ser avaliadas com uma simulação de análise de PDN, que calculará a distribuição de energia DC no PDN.

Enquanto um analisador de PDN não mostra diretamente a quantidade de calor dissipado ou a temperatura no layout do seu PCB, ele mostrará onde é provável que ocorram pontos quentes no PDN. Mudanças simples podem então ser feitas para ajudar a melhorar a integridade do design e prevenir falhas no nível da placa.

• Aprenda mais sobre o uso do Analisador de PDN no Altium Designer.

Seleção de Material e Design de Empilhamento para PCB

A seleção de material em um PCB requer a escolha de um sistema de resina e agente de cura, espessura do material e peso do cobre. A espessura das camadas dielétricas entre regiões de cobre quentes e planos próximos também é importante, pois determina quão facilmente o calor pode ser transportado ao redor do PCB.

• Peso do cobre: Placas com maior peso de cobre podem suportar correntes mais altas para uma dada temperatura de equilíbrio alvo.
• Conteúdo de resina: Prepregs com maior conteúdo de resina tenderão a ter maior condutividade térmica. Esses materiais também podem ser preferíveis em alguns eletrônicos de potência, como em placas de alta tensão.
• Temperatura de transição vítrea: Qualquer placa que vá experimentar grandes excursões térmicas deve ter uma alta temperatura de transição vítrea. Laminados típicos de alta Tg experimentarão uma transição vítrea a 170-180 °C.
• Camadas planas e espessura do laminado: Colocar uma camada plana mais próxima de uma área quente de cobre ajudará a remover o calor da região mais quente e transportar esse calor para outras áreas da placa.

Após selecionar essas especificações em materiais laminados, você pode construir o empilhamento da PCB e enviá-lo para sua casa de fabricação para validação. Certifique-se de entender todas as propriedades relevantes dos materiais laminados de PCB ao selecionar materiais.

• Aprenda mais sobre as propriedades dos materiais laminados de PCB.

Uma vez que essas tarefas de design sejam concluídas e o layout da PCB esteja finalizado, o design pode ser exportado para um formato de arquivo intermediário para uso em simulações. Uma ferramenta externa deve ser usada para simulação e análise térmica abrangentes antes de finalizar a PCB e preparar para a produção.

O que Observar em Software de Análise Térmica de PCB

Dentro do seu software de análise térmica de PCB, seu objetivo é determinar a distribuição de temperatura de equilíbrio dadas as condições operacionais típicas para a montagem da PCB. Os resultados da simulação que você gerar para sua PCB devem mostrar a distribuição de temperatura no espaço, bem como informações adicionais sobre deformação, se possível. No entanto, se a temperatura de equilíbrio for conhecida em diferentes regiões da placa, é possível estimar a deformação a partir desses dados.

Aplicações de solução de campos de terceiros, como Ansys, que se integram ao Altium Designer, podem ser usadas para executar essas simulações. Essas ferramentas poderosas podem ser utilizadas para determinar a deformação na PCB devido a excursões térmicas, choques térmicos e ciclagem térmica. A combinação dessas ferramentas oferece tudo o que você precisa para avaliar a confiabilidade em seu PCBA, já que a falha por fadiga é um ponto importante a ser examinado em um layout de PCB.

Saiba mais sobre a avaliação da confiabilidade térmica da PCB.

Quando os dispositivos estão operando em temperaturas mais altas e é necessária uma redução significativa de calor, frequentemente adiciona-se fluxo de ar ao design, juntamente com dissipadores de calor, compostos térmicos e cobre adicional. A eficácia dos ventiladores que fornecem fluxo de ar, ou convecção natural, pode ser avaliada usando co-simulações térmicas-CFD. Esses solucionadores de campos mais avançados ajudam você a examinar como o calor se espalha ao redor da PCB devido puramente ao fluxo de ar. Pontos adicionais a considerar no layout da PCB incluem o posicionamento mecânico do ventilador, que requer uma ferramenta MCAD para prevenir interferências e projetar o invólucro para máxima dissipação de calor e fluxo de ar.

• Saiba mais sobre fluxos de trabalho integrados ECAD/MCAD.

Compartilhe Seus Modelos de Simulação Térmica Com o Altium 365

O Altium Designer já é o pacote de software de design de PCB padrão da indústria, fornecendo o conjunto de ferramentas de design e fabricação de mais alta qualidade necessário para criar eletrônicos avançados. Os usuários podem expandir suas capacidades de design e simulação usando um pacote de software de análise térmica de PCB externo que se interfaceia com o Altium Designer por meio de um formato de arquivo intermediário.

A ferramenta atual no Altium Designer para gerar esses arquivos de modelo de simulação é a extensão EDB Exporter, que criará um arquivo EDB a partir do seu layout de PCB para uso em solucionadores de campo Ansys. A plataforma Altium 365 facilita o compartilhamento desses arquivos de modelo de simulação com um colaborador, mantê-los em um projeto e colocar arquivos em controle de versão, e liberar todos os dados do projeto para fabricação.

Interface Com Solucionadores de Campo Externos Via Altium 365

O Altium Designer e o Altium 365 oferecem aos usuários uma maneira única de se interfacear com aplicações de solucionadores de campo externos para análise térmica de PCB. Os usuários do Altium Designer têm várias utilidades de exportação disponíveis para gerar arquivos específicos de fornecedores e neutros em relação a fornecedores para uso em software de análise térmica de PCB. Ao gerar esses arquivos, você pode compartilhá-los facilmente com sua equipe de design e colaboradores usando a plataforma Altium 365. O compartilhamento é seguro por meio de uma plataforma em nuvem e inclui um sistema de controle de versão baseado em Git integrado.

• O Altium Designer oferece aos usuários tudo o que eles precisam para criar eletrônicos avançados e preparar a documentação de layout de placas de circuito.
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• O Altium Designer inclui muitas extensões para expandir as capacidades do ambiente de design, incluindo um exportador de arquivos EDB para interface com aplicações de simulação térmica da Ansys.
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• O Altium 365 é ideal para armazenar e compartilhar todos os seus dados de projeto, incluindo modelos de simulação para uso em aplicações avançadas de solução de campos.
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O Altium Designer no Altium 365 oferece um nível de integração sem precedentes para a indústria eletrônica, até agora relegado ao mundo do desenvolvimento de software, permitindo que os designers trabalhem de casa e alcancem níveis de eficiência sem precedentes. Uma vez que você compartilhou seu modelo de simulação térmica com colaboradores, eles podem colocar comentários no design e sugerir modificações para ajudar a garantir o mais alto nível de qualidade e confiabilidade. Uma vez que um design está terminado e pronto para ser liberado para produção, o Altium 365 permite que você libere seus designs para produção através de uma plataforma online ou por meio do conjunto de ferramentas padrão no Altium Designer.

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