Guia de Projeto de Alívio Térmico

Um dos defeitos de montagem de PCB mais comuns discutidos em guias sobre DFA é o efeito tombstoning, sendo que o segundo mais comum provavelmente são as juntas frias, com estas últimas sendo apontadas especificamente em pinos de furo passante. Embora esses dois problemas possam não parecer relacionados, ambos estão ligados ao fluxo de calor para longe de um pino ou pad de um componente. No layout de PCB, isso é tratado adicionando um pad de alívio térmico ao componente afetado, para que o calor fique confinado durante a soldagem.

A questão então passa a ser: quando você deve aplicar pads térmicos, e quais componentes precisarão deles? Algumas diretrizes de DFA comunicam o uso de pads térmicos como algo necessário em toda parte e, às vezes, a regra de projeto padrão em uma PCB ou em um projeto aplicará isso em todo o seu design. Neste guia, vamos explicar como selecionar as configurações corretas para seu pad térmico e onde aplicá-las.

Onde Aplicar Alívios Térmicos

Uma imagem simples de alívio térmico em um layout de PCB é mostrada abaixo. Esses alívios térmicos consistem em pequenos raios conectando o cobre a um pad de um componente SMD ou a um pino de furo passante. Esses alívios térmicos são aplicados automaticamente em sua ferramenta CAD, portanto você não precisa desenhar as conexões em raio, que possuem pequenas trilhas ou regiões de preenchimento.

Alívios térmicos em pinos de furo passante.

Aqui vemos dois casos em que se recomenda aplicar alívios térmicos:

• Em pads SMD definidos pela máscara, ou seja, pads sobre um vazamento de cobre
• Em pinos de furo passante onde um pad faz conexão com um plano

Alívios térmicos não são necessários nos seguintes casos

• Em pads SMD definidos pela máscara conectados a um pequeno vazamento de cobre
• Em pads de pinos de furo passante conectados a um pequeno vazamento de cobre
• Em vias conectadas a vazamentos de cobre ou planos, mesmo que o vazamento se conecte a um pad SMD

O último ponto é bastante importante porque é tecnicamente possível colocar um alívio térmico em uma via. Francamente, não há valor em colocar um alívio térmico em uma via que se conecta a um vazamento que também se conecta a um pad SMD. Se você precisar do alívio térmico, simplesmente coloque-o no pad SMD em vez de na via. O objetivo é confinar o calor ao pad SMD, não permitir que ele se espalhe por uma grande área de cobre.

À esquerda: alívio térmico em pinos de furo passante para um cabeçalho de pinos. À direita: alívios térmicos em pads SMD conectados a um vazamento de cobre na mesma camada.

Há alguns outros casos em que alívios térmicos não são necessários, especialmente em componentes SMD. Entre eles:

• Quando uma conexão a um vazamento de cobre se parece muito com uma trilha
• Em pads com die attached em circuitos integrados
• Quando puder ser garantido que o aquecimento é uniforme em toda a placa durante a soldagem

O último ponto está relacionado ao processo de soldagem. Em refusão, é bem menos provável que você precise de pads de alívio térmico em toda parte. No entanto, se você for soldar manualmente todos os seus componentes SMD, particularmente passivos SMD, pode fazer sentido adicionar alívios térmicos aos pads SMD dos seus passivos. Soldagem com ar quente ou em chapa aquecida é um pouco imprevisível, porque depende fortemente da habilidade do montador e do equipamento utilizado.

Quando um Vazamento de Cobre é Grande?

Essa é uma questão importante, pois ela determinará quando colocar alívios térmicos em pinos de furo passante ou em pads SMD. Para componentes de furo passante, normalmente colocamos o alívio térmico na conexão com um plano. No entanto, se tivermos um vazamento de cobre usado em uma camada em vez de uma camada de plano, essencialmente temos a mesma coisa: uma grande região de cobre que pode drenar calor do pino e, portanto, pode precisar de um alívio térmico. O mesmo efeito ocorre com um componente SMD sobre uma região de cobre, como um grande preenchimento de cobre em uma das camadas de superfície.

Mas se você conectar um desses componentes a um polígono em alguma camada, todo e qualquer polígono precisará ter alívio térmico? Acho que a resposta é “não”.

• Quando o vazamento de cobre é muito pequeno, ele se parece com uma trilha e nenhum alívio térmico deve ser necessário.
• Quando um vazamento de cobre em camada interna é muito grande, ele se parece bastante com um plano e um alívio térmico será necessário em furos passantes.
• Quando um vazamento de cobre em camada de superfície é grande o bastante para preencher a maior parte da superfície, ele também se parece com um plano e um alívio térmico será necessário.

Em algum ponto entre vazamentos de cobre muito pequenos e muito grandes, existe um limite a partir do qual um alívio térmico em um pino ou pad de componente começa a se tornar necessário. É bastante difícil prever qual é esse ponto sem passar um cupom de teste de um grande lote de placas pelo processo de soldagem. Também seria esperado haver uma diferença entre soldagem por refusão e soldagem manual. Embora isso pudesse ser simulado, uma abordagem melhor é aceitar que o ponto em que os alívios térmicos se tornam necessários precisa ser determinado a partir de inspeções de qualidade em placas montadas.

Como os Alívios Térmicos Devem Ser Projetados?

Os projetistas não precisam fazer um esforço enorme para criar um alívio térmico. Normalmente, uma conexão simples em raios a partir dos quatro lados de um pino ou pad será aceitável. O tamanho dos raios nas trilhas e a folga ou tamanho da abertura devem ser selecionados para que os elementos de borda não fiquem pequenos demais. Não torne o raio do pad tão fino a ponto de ficar abaixo do seu limite de corrosão. Além disso, faça a abertura ao redor do pad grande o suficiente para permanecer acima do limite de folga de borda.

Normalmente, trilhas de 8 mil com folga de 10 mil serão adequadas para a maioria dos componentes. Para passivos com encapsulamentos muito menores e que serão colocados em alta densidade, a largura da trilha e a folga podem ser reduzidas para que as trilhas caibam ao redor do pad.

Alívio térmico aplicado em um pad personalizado no Altium.

Projeto de Alívio Térmico no Altium

Altium oferece várias maneiras de implementar pads de alívio térmico em componentes SMD e componentes de furo passante. Eles podem ser aplicados globalmente ou seletivamente da seguinte forma:

• Aplicando um estilo de alívio térmico usando uma regra de projeto de conexão de plano ou polígono
• Aplicando pads de alívio térmico usando regra de projeto, mas com escopo definido para footprints específicos ou classes de componentes
• Aplicando um pad de alívio térmico a um pad SMD específico ou pino de furo passante específico com base nas propriedades do pad/pino

O sistema de regras de projeto e o sistema de consultas no Altium permitem combinar essas abordagens para diferentes tipos de componentes ou grupos de componentes. Se você usar as regras de projeto, sempre terá a opção de aplicar manualmente o alívio térmico em pinos de furo passante ou pads SMD específicos.

Para saber mais sobre como aplicar pads de alívio térmico em seu layout de PCB, confira estes links na documentação do Altium:

• Polygon Connect Style
• Defining Custom Thermal Reliefs

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