Uma Revisão da Gestão da Resistência Térmica em PCBs com Vias Térmicas

O design de PCBs e a gestão térmica estão intimamente ligados, pois problemas térmicos são conhecidos por reduzir significativamente o tempo de vida útil de uma placa de circuito e seus componentes. O calor gerado em uma placa de circuito por componentes ativos e passivos tende a ficar confinado próximo aos componentes, levando a um aumento de temperatura devido à baixa condutividade térmica da maioria dos substratos de placas de circuito. O ciclo frequente de uma placa de circuito e componentes entre altas e baixas temperaturas reduzirá a longevidade do seu sistema e pode levar à falha prematura de componentes ou condutores de cobre.

Qualquer designer deve considerar como gerenciar o calor gerado pelos seus componentes usando uma combinação de estratégias. Entre essas diferentes estratégias, os designers podem fazer uso de um pad térmico e dissipador de calor em cada componente ativo, uso criativo de planos de cobre em camadas internas, materiais de substrato com alta condutividade térmica e vias térmicas próximas a componentes ativos que dissipam alta potência. O posicionamento estratégico dos componentes também é importante para prevenir a formação de pontos quentes em sua placa de circuito impresso.

Graças às ferramentas de design e análise no Altium Designer, você pode elaborar uma estratégia que ajudará a manter a temperatura da sua placa dentro dos limites aceitáveis, apesar da alta resistência térmica da maioria dos materiais de substrato de PCB. As ferramentas de layout de PCB permitem que você projete sua placa com vias térmicas, medidas de resfriamento passivo e ativo, e substratos com alta condutividade térmica e empilhamento personalizado.

ALTIUM DESIGNER

Uma plataforma unificada de design de PCB que integra recursos avançados de layout de PCB com recursos abrangentes de design de vias e pads.

Os componentes em qualquer placa de circuito vão gerar algum calor durante a operação, e o designer proativo tomará medidas para combater o excessivo aumento de temperatura durante a operação. Se você já viu um PC para jogos overclockado, então está familiarizado com os enormes ventiladores de resfriamento e até sistemas de resfriamento líquido usados para remover calor de placas gráficas e processadores. Provavelmente, sua PCB não precisará de medidas tão extremas de dissipação térmica. No entanto, você deve considerar como remover o calor dos seus componentes e produzir uma distribuição de temperatura uniforme por toda a sua placa.

A alta resistência térmica de muitos substratos de placas de circuito pode causar a formação de pontos quentes perto de componentes ativos. Esses pontos quentes tendem a se acumular perto de componentes ativos que geram uma quantidade significativa de calor. Entre os diferentes métodos para combater o aumento de temperatura em uma PCB, as vias térmicas são particularmente úteis para transportar calor para longe dos componentes ativos e para uma camada interna do seu empilhamento.

Colocar vias térmicas abaixo de um pad com um paddle de fixação de chip com a densidade de número correta é um método para transportar calor para uma camada interna da placa. Você verá os melhores resultados se otimizar o número e o arranjo de vias térmicas abaixo do componente em questão. Quando combinado com outros métodos de resfriamento, como o uso de um dissipador de calor e pad térmico em cada componente ativo, e algumas medidas de resfriamento ativo, você será capaz de manter a temperatura de seus componentes abaixo de seus valores máximos classificados e estender a vida útil da sua placa de circuito.

O que são Vias Térmicas?

À medida que muitos componentes ativos, como dispositivos para eletrônica de potência, processadores de alta velocidade e componentes de alta frequência, geram calor significativo durante a operação, esses dispositivos requerem algum método de dissipação térmica para manter sua temperatura de operação abaixo do máximo classificado. Vias térmicas são simplesmente vias colocadas abaixo de um componente que atravessam um empilhamento. Essas vias podem se conectar ao plano de terra no empilhamento para transferir calor para uma camada interna, onde o calor então conduz através da camada de terra para o resto da placa.

As vias térmicas podem ser colocadas como vias passantes para que proporcionem dissipação térmica por todo o empilhamento. O anel anular dessas vias térmicas deve ser visível através da máscara de solda na camada superficial abaixo do componente alvo. Elas podem ser soldadas ao paddle de fixação do die para proporcionar condutividade térmica uniforme por toda a estrutura. Preencher essas vias com um epóxi ou revesti-las também é uma boa ideia, pois isso impede que a solda seja absorvida para o lado oposto da placa. Se você examinar a distribuição de temperatura por toda a placa, você encontrará que a distribuição de temperatura na superfície e na camada interna se espalha à medida que você se afasta de uma via térmica.

Transporte de calor para longe das vias térmicas no substrato da placa de circuito

Arranjo de Vias Térmicas Sob um Componente SMD

Muitos componentes, como os componentes em embalagens QFP, incluem uma almofada de fixação do chip na parte inferior do componente, e vias térmicas devem ser dispostas em um padrão apropriado sob o componente. Colocar o número certo de vias térmicas com o espaçamento apropriado entre elas otimizará a condutividade térmica efetiva da estrutura, permitindo que a quantidade máxima de calor seja transportada para o substrato e aproximando a temperatura da temperatura ambiente no ambiente. Em geral, você deve optar por mais vias térmicas, mantendo-se dentro do seu orçamento de fabricação.

Exemplo de espaçamento de vias térmicas em uma placa de circuito

Como muitas placas de circuito impresso são projetadas em um substrato FR4, a alta resistência térmica deste material de substrato requer algum tipo de método de dissipação térmica para reduzir a temperatura da placa. Os designers devem considerar combinar vias térmicas com outros métodos de dissipação térmica para trazer a temperatura do substrato e do componente para um nível aceitável. Isso é especialmente importante se sua placa for ciclada repetidamente entre temperaturas altas e baixas.

• Vias térmicas são apenas uma parte de uma estratégia de gerenciamento térmico mais ampla para sua PCB. Você deve incluir outros métodos de dissipação de calor, como um dissipador de calor, almofada térmica ou pasta, e ventiladores de refrigeração se as vias térmicas não dissiparem calor suficiente para uma camada interna. Aprenda mais sobre como elaborar uma estratégia de gerenciamento térmico para sua PCB.
• Cada via em sua PCB afetará seu orçamento de fabricação, e você deve considerar cuidadosamente o processo de fabricação da PCB e o orçamento ao colocar vias térmicas.

  Aprenda mais sobre o processo de fabricação e montagem de placas de circuito.

• Assim como outros condutores de cobre em sua PCB, as vias térmicas devem ser colocadas de acordo com suas regras de design e restrições.

  Aprenda mais sobre o uso de verificações de regras de design no seu software de design de PCB.

Regras de design para via, pad e polígono no Altium Designer

Seu Substrato, Vias Térmicas e Transferência de Calor

Mesmo que você utilize vias térmicas, não é possível garantir que a temperatura da sua placa diminuirá para um valor suficientemente baixo. Isso é particularmente verdade quando sua placa é implantada em um ambiente com temperatura mais alta, ou em uma parte do seu sistema que atingirá uma temperatura mais elevada. Enquanto sua placa estiver em operação, o gradiente térmico entre seus componentes e o ambiente será menor, o que reduzirá a taxa de transferência de calor entre regiões quentes e frias.

É aqui que o uso de um substrato com alta condutividade térmica se mostra útil para transportar rapidamente o calor para longe dos componentes ativos. Cerâmicas são uma das melhores escolhas de materiais de substrato com alta condutividade térmica. Outra opção é usar uma PCB de núcleo metálico; o núcleo de cobre espesso proporcionará uma dissipação térmica significativa em comparação com um empilhamento FR4 padrão. Quando combinado com vias térmicas, seu substrato e empilhamento ajudarão o calor a se mover lateralmente através da sua placa com facilidade, levando a uma temperatura de equilíbrio mais uniforme durante a operação. Isso leva a uma expansão térmica mais uniforme da sua PCB, o que faz com que o estresse interno seja menos concentrado em diferentes condutores de cobre no seu sistema.

Outros Métodos de Gerenciamento Térmico

Outros métodos de gerenciamento térmico em sua PCB podem garantir que a temperatura da sua placa se aproxime mais da temperatura ambiente. Esses métodos incluem a fixação de um dissipador de calor em processadores de alta velocidade e outros componentes importantes. Um pad térmico em um dissipador de calor ajuda a fornecer um caminho de alta condutividade térmica para o calor se afastar de um componente. Se você tem um grande número de componentes de alta potência em sua placa, pode não ter outra escolha a não ser adicionar ventiladores ao seu design para remover o calor dos componentes importantes.

Seu material de substrato e sua pilha de camadas também devem ser projetados de olho no transporte de calor para longe da camada superficial da sua placa de circuito. A alta condutividade térmica do cobre em uma camada interna da sua PCB transportará facilmente o calor para longe das vias térmicas e em direção às bordas da PCB. A disposição dos seus componentes também é bastante importante. Componentes que geram mais calor devem ser colocados mais próximos ao centro da placa, em vez de na borda, pois isso permitirá que o calor se dissipe por uma área maior na sua PCB.

• As suas vias térmicas devem ser projetadas para cumprir com os padrões IPC 2152 sobre desempenho térmico. Saiba mais sobre como projetar para cumprir com as diretrizes do IPC 2152.
• Existem muitos métodos de dissipação de calor passiva que você pode usar para controlar a temperatura da sua PCB.

  Aprenda mais sobre técnicas de gerenciamento térmico passivo para sua placa de circuito.

• Um material de substrato alternativo é uma excelente escolha para transferir calor de regiões quentes para frias em sua placa e dissipá-lo rapidamente no ambiente.

  Aprenda mais sobre o trabalho com materiais de substrato alternativos.

Seu material de substrato e empilhamento determinarão a resistência térmica em sua placa

Trabalhando com Software de Design de Via Térmica

O software de design de via térmica utiliza ferramentas CAD para definir a geometria padrão para suas vias e sua extensão ao longo do seu empilhamento de camadas. Com as ferramentas certas de layout de placa de circuito, você pode projetar a geometria e o arranjo de suas vias térmicas para criar uma estratégia de gerenciamento térmico abrangente. O melhor software para projetar vias térmicas também inclui recursos de design de empilhamento. Isso permite que você defina camadas internas de cobre que ajudarão a conduzir calor por toda a sua PCB. Essas ferramentas devem ser acessíveis juntamente com suas outras importantes funcionalidades de roteamento e layout, fornecendo uma solução completa em uma única plataforma.

Design e Layout Completo de Via Térmica no Altium Designer

Com as abrangentes funcionalidades de empilhamento de camadas e vias térmicas do Altium Designer, você pode facilmente criar seu empilhamento de camadas, vias térmicas e layout em um único programa. As ferramentas CAD do Altium Designer são acessíveis juntamente com um conjunto completo de recursos de simulação e planejamento de produção.

• O ambiente de design integrado no Altium Designer fornece todas as ferramentas CAD de que você precisa em uma única aplicação. Você terá acesso a importantes recursos de design e layout de vias térmicas em um único programa. Saiba mais sobre design unificado no Altium Designer.
• Trabalhar com software de design de placas de circuito orientado por regras permite definir regras e restrições de design importantes para sua placa. Isso ajuda a garantir a funcionalidade e a fabricabilidade. Saiba mais sobre o motor de design orientado por regras do Altium Designer.
• Com a biblioteca de empilhamento de materiais do Altium Designer, você pode escolher entre um grande conjunto de materiais de substrato padrão com alta ou baixa condutividade térmica e várias propriedades elétricas. Saiba mais sobre a biblioteca de empilhamento de materiais do Altium Designer.

As ferramentas CAD e os recursos de gerenciamento no Altium Designer são ideais para o design de vias térmicas, layout de componentes e colocação de medidas de resfriamento ativas e passivas para suportar a transferência de calor em todo o seu sistema. Você poderá definir o layout das suas vias e os requisitos de fabricação como regras e restrições de design. Você também terá acesso a um conjunto de recursos poderosos de simulação e análise em uma única aplicação. Quando você adiciona a biblioteca de empilhamento de materiais e extensas bibliotecas de componentes, você tem todos os recursos necessários para projetar placas de circuito com uma estratégia de gerenciamento térmico poderosa e levá-las à produção.

Apenas a Altium oferece um enorme conjunto de recursos para o design de circuitos impressos. Você terá acesso ao fórum AltiumLive, webinars e podcasts com especialistas da indústria, tutoriais de design e uma extensa base de conhecimento com muitas dicas de design. Nenhuma outra empresa de software de design de PCB oferece esse nível de suporte. Em vez de trabalhar com plataformas de design de circuitos impressos que separam suas importantes características de design em diferentes aplicações, é hora de adotar uma abordagem integrada para design e layout. É hora de fazer a mudança para o Altium Designer.