Полное руководство по тепловому анализу печатных плат

Физические свойства подложки и медных проводников печатной платы во многом определяют ее нагрев в процессе работы. Методы теплового анализа печатных плат призваны спрогнозировать, когда и где произойдет нагрев платы в процессе работы, а также насколько сильно она нагреется. Эта важная составляющая анализа должна обеспечить надежность на уровне компонентов и платы и может повлиять на многие проектные решения.

Если использовать лучшее программное обеспечение для проектирования печатных плат, нетрудно разработать плату, отличающуюся высокой надежностью и низкой рабочей температурой. Altium Designer предлагает лучшие инструменты для проектирования печатных плат, а также библиотеку материалов, помогающую обеспечить надежность. У вас будет все необходимое для применения передовых методов терморегулирования в процессе компоновки и конструирования стека печатной платы. Из этой статьи вы сможете узнать больше о тепловом анализе печатных плат и о том, как сделать свою следующую плату более надежной.

Altium Designer

Унифицированный пакет для проектирования печатных плат, объединяющий расширенные функции компоновки с обширной библиотекой материалов подложек и функциями планирования производства.

Материалы, из которых изготовлена печатная плата, и установленные на ней компоненты определяют распространение тепла по плате во время работы. К сожалению, материалы подложек печатных плат представляют собой изоляторы, препятствующие отводу тепла от горячих компонентов. Помочь здесь могут медные проводники и плоские слои, но существует несколько простых конструкторских решений, которые позволяют поддерживать температурное равновесие платы в процессе работы. Эти решения относятся к трем направлениям:

• Проектирование стека печатной платы
• Выбор материала подложки
• Выбор и размещение компонентов

Помимо таких средств, как электрические вентиляторы и теплоотводы, есть и другие простые конструкторские решения, которые обеспечивают работу платы на низких температурах и предотвращают ее преждевременный выход из строя. Если иметь соответствующий набор инструментов для проектирования, несложно применять передовые методы терморегулирования.

Использование теплового анализа при проектировании печатной платы

Задача теплового анализа при проектировании печатных плат заключается в том, чтобы определить, какие меры охлаждения, например вентиляторы, радиаторы, дополнительные участки меди или тепловые перемычки, необходимы для удержания температуры в допустимых пределах. Проектировщику нужно определить максимально допустимую температуру компонентов на плате, а затем изучить, как их температура будет меняться в зависимости от рассеиваемой мощности. Если температура компонента выходит за допустимые пределы, то могут потребоваться дополнительные меры охлаждения, например радиаторы или вентиляторы.

Для начала следует узнать тепловое сопротивление компонента, которое обычно указывается в технической спецификации интегральных микросхем. Его значение может быть низким, например ~20 °C/Вт для маломощных усилителей или микросхем, а может достигать ~200 °C/Вт для мощных микропроцессоров. Чтобы определить рабочую температуру, достаточно умножить потребляемую компонентом мощность на его тепловое сопротивление. Ниже это показано на примере МОП-транзистора в корпусе SOT.

Температура компонента, определяемая по его тепловому сопротивлению.

Если температура компонента слишком высока, конструктор может принять меры по отводу тепла, чтобы уменьшить тепловое сопротивление компонента на печатной плате. Такими мерами могут быть:

• Добавление тепловых перемычек к заземленной многоугольной заливке под компонентом
• Использование материала подложки платы с более высокой теплопроводностью
• Установка на компонент радиатора
• Добавление меди под компонентом, например в виде плоского слоя
• Использование вентилятора для подачи холодного воздуха на корпус компонента
• Крепление платы непосредственно на металлическом корпусе с помощью теплопроводящего материала

В любом случае тепловая надежность начинается с разработки правильного стека печатной платы с помощью лучшего программного обеспечения для проектирования печатных плат.

Начните с создания лучшего стека печатной платы

Прежде чем принимать дополнительные меры по охлаждению платы, воспользуйтесь лучшим набором инструментов для проектирования печатных плат, чтобы создать правильный стек. Диспетчер стеков слоев Altium Designer позволяет правильно распределить плоские медные слои и выбрать их толщину, чтобы обеспечить высокую теплопроводность подложки печатной платы. В диспетчере стеков слоев можно задать сквозные отверстия для прохода к тыльной стороне платы под горячими компонентами. Эти базовые принципы проектирования печатных плат в значительной степени помогают отводить тепло от горячих компонентов.

Кроме того, Altium Designer открывает пользователям доступ к библиотеке наиболее распространенных материалов для стека печатных плат с известными диэлектрическими свойствами. Благодаря этому разработчики получают полный контроль над конструкцией стека в своем программном обеспечении для проектирования печатных плат, что позволяет решать такие задачи, как создание высокоскоростных плат и мощных плат для силовых систем. В Altium Designer можно спроектировать любой стек и выбрать любой материал для печатной платы.

• Надежность платы в значительной степени определяется материалом подложки. Правильно подобранный материал с высокой теплопроводностью помогает отводить тепло от мощных компонентов и поддерживать их работу при низких температурах.

  Подробнее о выборе правильного материала подложки.

• Керамические материалы обладают гораздо более высокой теплопроводностью, чем стандартные подложки FR4, и отлично подходят для работы в условиях высоких температур.

  Подробнее о проектировании печатных плат с керамическими подложками.

• Какой бы тип материалов подложки вы ни выбрали, для создания стека вам потребуется лучший диспетчер стеков слоев печатных плат.

  Подробнее о проектировании стека слоев в Altium Designer.

Проектирование стека в Altium Designer

Стандартные методы терморегулирования печатных плат

Создание стека — это лишь один из важных аспектов проектирования платы. Определив структуру стека в программе проектирования печатных плат, вы можете приступить к использованию инструментов компоновки для размещения на плате таких элементов, как плоскости земли, медные заливки, теплоотводы, вентиляторы охлаждения и тепловые перемычки. Для создания этих элементов на печатной плате используются инструменты САПР, имеющиеся в программном обеспечении для компоновки печатных плат. Библиотеки печатных плат должны быть связаны с цепочками поставок электронных компонентов, чтобы обеспечить доступ к САПР-моделям вентиляторов и радиаторов. Это облегчает поиск, скачивание и размещение на макете печатной платы компонентов, предназначенных для терморегулирования.

Помимо таких мер, как размещение тепловых перемычек, вентиляторов и радиаторов, на рассеивание тепла будет оказывать влияние размещение плоскостей и дорожек в каждом слое печатной платы из-за собственного сопротивления медных проводников постоянному току. В процессе распределения медных поверхностей по печатной плате важное значение приобретает моделирование по постоянному току, которое позволяет оценить возможность появления «горячих точек» на определенных участках цепей питания.

Моделирование целостности питания по постоянному току для выявления горячих точек

Симулятор целостности питания по постоянному току может быть полезен для выявления участков цепей питания с высокой плотностью тока, которые впоследствии приведут к повышению температуры. Если рядом с такими горячими участками печатной платы находится горячий компонент, то для снижения температуры может потребоваться дополнительное количество меди или теплоотвод. Кроме того, возможно, потребуется изменить конструкцию медных элементов на выявленном участке цепей питания, чтобы уменьшить его сопротивление постоянному току.

• В рамках стратегии пассивного охлаждения активных компонентов для приклеивания радиатора к горячим компонентам следует применять термопрокладку или термопасту, которые способствуют эффективному отводу тепла.

  Подробнее о термопрокладках и термопасте.

• Каждый активный компонент на печатной плате является источником тепла, рассеивая часть тепла в корпусе и в близлежащих медных линиях питания. При наличии большого количества активных компонентов для их охлаждения могут понадобиться вентиляторы.

  Подробнее о работе с активными охлаждающими компонентами на печатных платах.

• Дополнительный модуль анализатора цепей питания в Altium Designer прост в доступе и использовании. Этот модуль позволяет получить данные о компоновке печатной платы и провести высококачественное моделирование целостности питания по постоянному току.

  Подробнее о модуле анализатора цепей питания в Altium Designer для моделирования по постоянному току.

Моделирование целостности питания по постоянному току позволяет выявить «горячие точки» в цепях питания в одном или нескольких слоях одновременно.

Лучшее программное обеспечение для теплового анализа и компоновки печатных плат

Правильное терморегулирование при компоновке печатной платы представляет собой сложную задачу в отсутствие необходимого набора инструментов для компоновки печатных плат. В лучшие приложения для проектирования печатных плат входит не только набор инструментов САПР для решения задач компоновки. Вам понадобятся лучшая утилита для разработки стека, комплексный редактор схем, функции моделирования смешанных сигналов и многое другое. Когда плата готова к отправке в производство, для нее требуется создать документацию в стандартных форматах. Программное обеспечение для проектирования печатных плат должно предоставлять все эти возможности в едином приложении, а не распределять их по разным программам.

Altium Designer — это единственное комплексное приложение для проектирования печатных плат любого назначения, начиная с плат систем питания постоянного тока и заканчивая высокоскоростными цифровыми изделиями и высокочастотными радиосистемами. Altium Designer включает в себя первоклассный диспетчер стеков слоёв, который позволяет импортировать стандартные материалы, определять любую последовательность слоёв и импортировать уникальные материалы. Кроме того, у вас будет доступ к полному набору функций маршрутизации и компоновки, а также к инструментам для проектирования с переходными отверстиями и полигонами. Все, что требуется для проектирования надежных печатных плат, уже включено в Altium Designer.

Проектирование максимально надежных печатных плат в Altium Designer

Эффективность Altium Designer кроется в его среде проектирования, основанной на правилах. В других платформах для проектирования важные инструменты распределены по разным программам, но Altium Designer позволяет работать в одном приложении. Функции проектирования печатных плат в Altium Designer разработаны с учетом взаимодействия в рамках единого пакета и помогают выявлять ошибки в процессе создания проекта. Ни одно другое приложение для проектирования печатных плат не предоставляет такого количества функций для теплового анализа, компоновки и производства печатных плат.

• Altium Designer — идеальный пакет для профессиональных команд разработчиков печатных плат, которым нужен полный набор инструментов проектирования в одном приложении.

  Подробнее о единой среде проектирования Altium Designer.

• Модуль анализатора цепей питания для Altium Designer доступен прямо в макете печатной платы и позволяет выявить области макета, которые будут чрезмерно нагреваться во время работы.

  Подробнее о модуле анализатора цепей для Altium Designer.

• Если вам нужно поделиться проектами печатных плат с другими разработчиками печатных плат или вашим производителем, платформа Altium 365 позволяет мгновенно обмениваться проектными и производственными данными.

  Подробнее о совместном использовании данных проекта печатной платы с помощью Altium 365.

3D-вид конструкции с несколькими платами и большим охлаждающим вентилятором

Проведя тепловой анализ печатной платы и выявив потенциальные проблемы в ее разводке, воспользуйтесь Altium Designer для применения передовых методов поддержания температуры платы в пределах допустимых значений. Ни одно другое приложение для проектирования не предоставляет полный набор функций проектирования, совместного использования и проверки проекта в едином приложении.

Altium Designer на Altium 365 обеспечивает беспрецедентную интеграцию в сфере производства электроники, которая до сих пор была доступна лишь в сфере разработки программного обеспечения, позволяя разработчикам работать из дома и достигать наивысшего уровня эффективности.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Зайдите на страницу продукта, чтобы более подробно ознакомиться с функциями или посетите один из Вебинаров по запросу.