Использование программного обеспечения для теплового моделирования и анализа печатных плат в вашем рабочем процессе проектирования

Проектирование печатных плат следует определенному рабочему процессу, который включает захват схемы, размещение печатной платы и генерацию выходных данных. В какой момент стандартного рабочего процесса проектирования печатных плат следует учитывать тепловой анализ и надежность? Эти аспекты возникают на нескольких этапах проектирования, поскольку проблемы с тепловым управлением создают проблемы с надежностью компонентов и готовой сборки PCBA.

Тепловое управление на вашей печатной плате сосредоточено на перенаправлении тепла от горячих к холодным областям, в конечном итоге снижая температуру и обеспечивая равномерное распределение температуры по всей печатной плате. Расположение компонентов, стек платы и другие элементы могут быть использованы для отвода тепла от сборки в корпус или для его удаления с помощью принудительного воздушного потока. Программное обеспечение для проектирования, интегрированное с внешним решателем поля, поможет вам подобрать стек платы и устранить горячие точки в PCBA во время работы.

ALTIUM DESIGNER

Программное обеспечение для проектирования печатных плат для передовой электроники, которое взаимодействует с множеством сторонних приложений, включая программное обеспечение для теплового анализа печатных плат.

Термоанализ печатных плат может включать в себя множество задач, направленных на оценку передачи тепла через структуру печатной платы. Это требует точного определения мест, где будет генерироваться тепло, и ожидаемой температуры компонентов во время работы, а также понимания того, как структура субстрата печатной платы будет способствовать транспортировке тепла. К сожалению, это сложные мультифизические задачи, которые требуют использования решателей полей для полной оценки. Как только воздушный поток начинает проходить через сборку печатной платы, эффект воздушного потока до создания прототипа может быть оценен только с помощью CFD-симуляций, с чем не все дизайнеры могут быть знакомы.

Дизайнеры, имеющие доступ к этим продвинутым решателям полей, должны использовать программное обеспечение для проектирования печатных плат, которое может взаимодействовать с программным обеспечением для термоанализа печатных плат в рамках стандартного рабочего процесса. Перед экспортом в инструмент термоанализа печатной платы дизайнер может предпринять некоторые простые шаги, чтобы помочь контролировать генерацию тепла на плате и предотвратить чрезмерный рост температуры во время работы.

Определение Высоких Температур и Предотвращение Перегрева Компонентов

Управление температурой печатных плат сосредоточено на трех основных областях:

• Определение чрезмерного повышения температуры компонентов и в субстрате платы
• Выбор материалов платы для обеспечения теплопереноса и создания равномерного распределения температуры
• Перемещение тепла от горячих к холодным областям посредством воздушного потока или проводимости

Программное обеспечение для термического анализа печатных плат может помочь с этими задачами на различных этапах проектирования. Лучшее время для использования программного обеспечения для термического анализа печатных плат - после завершения размещения компонентов на плате, но до создания прототипа. Однако, если вы можете реализовать некоторые базовые стратегии анализа до экспорта вашего проекта в программу для термического анализа печатных плат, вы можете уменьшить объем необходимых переработок, используя некоторые лучшие практики для термической целостности.

Нагрев компонентов

Один из шагов, который вы можете предпринять для помощи в термическом анализе и обеспечения того, что вы определили все горячие компоненты на плате, - это использование значений термического сопротивления компонентов для определения их рабочей температуры. Некоторые компоненты, очевидно, будут работать при очень высоких температурах, например, большие процессоры с высоким количеством входов/выходов. Однако другие, меньшие компоненты могут сильно нагреваться, даже если они могут работать в пределах своих рабочих лимитов. Отличными примерами являются LDO, PMIC, MMIC и некоторые ASIC. Раннее определение этих компонентов может помочь определить, где разместить их на печатной плате, чтобы они получали воздушный поток или соединялись с элементом рассеивания тепла или возвращались к корпусу. Еще одна возможность - разделить эти части на разные зоны, если это возможно, чтобы большие горячие точки не образовывались в одной области платы.

• Узнайте больше о спецификациях термического сопротивления.

Потери мощности постоянного тока

Потери мощности постоянного тока являются одним из факторов, способствующих генерации тепла в печатной плате, особенно в электронике мощности. Меньшие цифровые проекты и большинство аналоговых проектов не потребуют этого типа симуляции. Однако в электронике мощности необходимо обеспечить передачу энергии с минимальными потерями, поскольку это поможет минимизировать нагрев и максимизировать эффективность передачи мощности. Потери мощности постоянного тока в вашей системе могут быть оценены с помощью симуляции анализа PDN, которая рассчитает распределение мощности постоянного тока в PDN.

Хотя анализатор PDN напрямую не показывает количество рассеиваемого тепла или температуру на вашей плате, он покажет вам, где на PDN, скорее всего, возникнут горячие точки. Затем можно внести простые изменения, чтобы помочь улучшить целостность дизайна и предотвратить отказы на уровне платы.

• Узнайте больше об использовании анализатора PDN в Altium Designer.

Выбор материала для печатной платы и проектирование стека

Выбор материала для печатной платы требует выбора системы смолы и отвердителя, толщины материала и веса меди. Также важна толщина диэлектрических слоев между горячими медными регионами и близлежащими плоскостями, поскольку она определяет, насколько легко тепло может передаваться по плате.

• Вес меди: Платы с большим весом меди могут выдерживать более высокий ток при заданной целевой равновесной температуре.
• Содержание смолы: Препреги с высоким содержанием смолы, как правило, будут иметь более высокую теплопроводность. Эти материалы также могут быть предпочтительны в некоторой силовой электронике, например, в платах высокого напряжения.
• Температура стеклования: Любая плата, которая будет испытывать большие температурные колебания, должна иметь высокую температуру стеклования. Типичные ламинаты с высокой Tg испытывают стеклование при 170-180 °C.
• Слои плоскостей и толщина ламината: Размещение слоя плоскости ближе к горячей области меди поможет удалить тепло из более горячего региона и перенести это тепло в другие области платы.

После выбора этих спецификаций по ламинатным материалам, вы можете построить стек печатной платы и отправить его на ваше производство для проверки. Убедитесь, что вы понимаете все соответствующие свойства материалов ламината ПП при выборе материалов.

• Узнайте больше о свойствах материалов ламината ПП.

После завершения этих задач по дизайну и окончания разработки компоновки ПП, дизайн может быть экспортирован в промежуточный формат файла для использования в симуляциях. Для всесторонней тепловой симуляции и анализа перед финализацией ПП и подготовкой к производству следует использовать внешний инструмент.

На что обратить внимание в программном обеспечении для теплового анализа ПП

В вашем программном обеспечении для теплового анализа ПП ваша цель - определить распределение равновесной температуры при типичных условиях эксплуатации сборки ПП. Результаты симуляции, которые вы получаете для вашей ПП, должны показывать распределение температуры в пространстве, а также дополнительную информацию о деформации, если это возможно. Однако, если равновесная температура известна в различных регионах платы, возможно оценить деформацию из этих данных.

Приложения для решения задач внешнего поля, такие как Ansys, которые интегрируются с Altium Designer, могут использоваться для проведения этих симуляций. Эти мощные инструменты могут быть использованы для определения деформации печатной платы из-за термических перепадов, термических ударов и термического циклирования. Комбинация этих инструментов предоставляет вам все необходимое для оценки надежности вашей печатной платы с монтажом, поскольку усталостный излом является важным аспектом, который следует рассмотреть в разметке печатной платы.

Узнайте больше о оценке термической надежности печатных плат.

Когда устройства работают при повышенных температурах и необходимо значительное снижение тепла, часто к дизайну добавляют воздушный поток вместе с радиаторами, термопастами и дополнительной медью. Эффективность вентиляторов, обеспечивающих воздушный поток, или естественная конвекция, может быть оценена с использованием совместных CFD-термических симуляций. Эти более продвинутые решатели задач помогают вам изучить, как тепло распространяется вокруг печатной платы исключительно за счет воздушного потока. Дополнительные аспекты, которые следует учитывать в разметке печатной платы, включают механическое размещение вентилятора, для чего требуется инструмент MCAD, чтобы предотвратить перекрытия и спроектировать корпус для максимального рассеивания тепла и воздушного потока.

• Узнайте больше о интегрированных рабочих процессах ECAD/MCAD.

Поделитесь своими моделями термической симуляции с Altium 365

Altium Designer уже является отраслевым стандартом программного обеспечения для проектирования печатных плат, предоставляя наивысшее качество набора инструментов для проектирования и производства, необходимых для создания передовой электроники. Пользователи могут расширить свои возможности проектирования и моделирования с помощью внешнего программного обеспечения для термоанализа печатных плат, которое взаимодействует с Altium Designer через промежуточный формат файла.

Текущий инструмент в Altium Designer для генерации этих файлов модели симуляции - это расширение EDB Exporter, которое создаст файл EDB из вашей компоновки печатной платы для использования в полевых решателях Ansys. Платформа Altium 365 упрощает обмен этими файлами моделей симуляции с сотрудником, хранение их в проекте, размещение файлов в системе контроля версий и выпуск всех данных проекта на производство.

Взаимодействие с внешними полевыми решателями через Altium 365

Altium Designer и Altium 365 предоставляют пользователям уникальную возможность взаимодействия с внешними приложениями полевых решателей для термоанализа печатных плат. Пользователи Altium Designer имеют несколько утилит для экспорта, доступных для генерации файлов, специфичных для поставщика и нейтральных к поставщику, для использования в программном обеспечении для термоанализа печатных плат. Когда вы генерируете эти файлы, вы можете легко поделиться ими с вашей командой проектировщиков и сотрудниками с помощью платформы Altium 365. Обмен безопасен через облачную платформу и включает в себя встроенную систему контроля версий на основе Git.

• Altium Designer предоставляет пользователям все необходимое для создания передовой электроники и подготовки документации по компоновке печатных плат.
  Узнайте больше о полном наборе инструментов Altium Designer для проектирования печатных плат.
• Altium Designer включает множество расширений для расширения возможностей проектного окружения, включая экспортер файлов EDB для взаимодействия с приложениями теплового моделирования Ansys.
  Узнайте больше об экспортере Ansys EDB для Altium Designer.
• Altium 365 идеально подходит для хранения и обмена всеми данными проекта, включая модели симуляции для использования в передовых приложениях решателя поля.
  Узнайте больше об использовании Altium 365 для обмена вашими моделями и данными симуляции.

Altium Designer на Altium 365 обеспечивает беспрецедентный уровень интеграции в индустрии электроники, который до сих пор был ограничен миром разработки программного обеспечения, позволяя дизайнерам работать из дома и достигать беспрецедентных уровней эффективности. После того как вы поделились вашей моделью тепловой симуляции с сотрудниками, они могут оставлять комментарии в дизайне и предлагать модификации для обеспечения высочайшего уровня качества и надежности. Как только дизайн будет завершен и готов к выпуску в производство, Altium 365 позволяет выпускать ваши проекты в производство через онлайн-платформу или через стандартный набор инструментов в Altium Designer.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию программного обеспечения для термического моделирования в Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.