Обзор управления тепловым сопротивлением печатных плат с использованием тепловых переходных отверстий

Проектирование печатных плат и тепловое управление тесно связаны, поскольку известно, что тепловые проблемы значительно сокращают полезный срок службы печатной платы и компонентов. Тепло, генерируемое на печатной плате активными и пассивными компонентами, склонно концентрироваться вблизи компонентов, что приводит к значительному повышению температуры из-за низкой теплопроводности большинства подложек печатных плат. Частое чередование высоких и низких температур печатной платы и компонентов сокращает срок службы вашей системы и может привести к преждевременному выходу из строя компонентов или медных проводников.

Любой дизайнер должен рассмотреть, как управлять теплом, генерируемым их компонентами, используя комбинацию стратегий. Среди этих различных стратегий, дизайнеры могут использовать тепловую подложку и радиатор на каждом активном компоненте, творческий подход к использованию медных слоев на внутренних слоях, материалы подложек с высокой теплопроводностью и тепловые переходы рядом с активными компонентами, рассеивающими большое количество энергии. Стратегическое размещение компонентов также важно для предотвращения образования горячих точек на вашей печатной плате.

Благодаря инструментам проектирования и анализа в Altium Designer, вы можете разработать стратегию, которая поможет поддерживать температуру вашей платы в приемлемых пределах, несмотря на высокое тепловое сопротивление большинства материалов подложки ПП. Инструменты размещения печатной платы позволяют вам проектировать вашу плату с тепловыми переходными отверстиями, пассивными и активными мерами охлаждения, а также с подложками с высокой теплопроводностью и пользовательским стеклом.

ALTIUM DESIGNER

Единая платформа проектирования печатных плат, которая интегрирует передовые функции размещения ПП с комплексными возможностями проектирования переходных отверстий и площадок.

Компоненты на любой печатной плате будут генерировать некоторое количество тепла во время работы, и проактивный разработчик предпримет шаги для борьбы с чрезмерным повышением температуры во время работы. Если вы когда-либо видели разогнанный игровой ПК, то вам знакомы массивные вентиляторы охлаждения и даже системы жидкостного охлаждения, используемые для отвода тепла от видеокарт и процессоров. Скорее всего, вашей печатной плате не потребуются такие экстремальные меры теплоотвода. Однако, вам следует подумать о том, как удалить тепло от ваших компонентов и обеспечить равномерное распределение температуры по всей плате.

Высокое тепловое сопротивление многих подложек печатных плат может привести к образованию горячих точек вблизи активных компонентов. Эти горячие точки склонны накапливаться вблизи активных компонентов, которые генерируют значительное количество тепла. Среди различных методов борьбы с повышением температуры на печатной плате, тепловые переходные отверстия особенно полезны для отвода тепла от активных компонентов во внутренний слой вашей структуры.

Размещение тепловых переходных отверстий под площадкой с прикрепленной к ней теплопроводящей пластиной с правильной плотностью является одним из способов транспортировки тепла во внутренний слой платы. Лучшие результаты вы увидите, если оптимизируете количество и расположение тепловых переходных отверстий под рассматриваемым компонентом. В сочетании с другими методами охлаждения, такими как использование радиатора и теплопроводящей подложки на каждом активном компоненте, а также некоторые активные меры охлаждения, вы сможете поддерживать температуру ваших компонентов ниже их максимально допустимых значений и продлить срок службы вашей печатной платы.

Что такое тепловые переходные отверстия?

Поскольку многие активные компоненты, такие как устройства силовой электроники, высокоскоростные процессоры и компоненты высокой частоты, генерируют значительное количество тепла во время работы, эти устройства требуют некоторого метода теплоотвода, чтобы поддерживать их рабочую температуру ниже максимально допустимой. Тепловые переходные отверстия (виасы) - это просто виасы, размещенные под компонентом, которые проходят через всю структуру платы. Эти виасы могут соединяться с земляной плоскостью в структуре для передачи тепла во внутренний слой, где тепло затем проводится через земляную плоскость к остальной части платы.

Тепловые виасы могут быть размещены как сквозные отверстия, так что они обеспечивают теплоотвод через всю структуру. Кольцевая зона этих тепловых виасов должна быть видна сквозь маску пайки на поверхностном слое под целевым компонентом. Их можно припаять к площадке крепления кристалла для обеспечения равномерной теплопроводности по всей структуре. Заполнение этих виас эпоксидной смолой или их металлизация также является хорошей идеей, поскольку это предотвращает просачивание припоя на обратную сторону платы. Если вы изучите распределение температуры по всей плате, вы обнаружите, что распределение температуры в поверхностном и внутреннем слое распространяется по мере удаления от теплового виаса.

Транспортировка тепла от тепловых виас в субстрат печатной платы

Расположение тепловых виас под компонентом SMD

Многие компоненты, такие как компоненты в корпусах QFP, включают в себя платформу с прикрепленным кристаллом на нижней стороне компонента, и тепловые переходы должны быть расположены в соответствующем узоре под компонентом. Размещение правильного количества тепловых переходов с подходящим шагом между ними оптимизирует эффективную теплопроводность конструкции, позволяя максимальному количеству тепла переходить в подложку и приближая температуру к окружающей среде. В общем, вы должны выбирать больше тепловых переходов, оставаясь в рамках вашего производственного бюджета.

Пример расположения тепловых переходов на печатной плате

Поскольку многие печатные платы разрабатываются на подложке из FR4, высокое тепловое сопротивление этого материала подложки требует использования какого-либо метода теплоотвода для снижения температуры платы. Разработчикам следует рассмотреть возможность сочетания тепловых переходов с другими методами теплоотвода для достижения приемлемого уровня температуры подложки и компонента. Это особенно важно, если ваша плата будет повторно переключаться между высокими и низкими температурами.

• Тепловые переходные отверстия являются лишь одной частью более широкой стратегии управления теплом для вашей печатной платы. Вы должны включить другие методы рассеивания тепла, такие как радиатор, теплопроводящая подложка или паста и вентиляторы охлаждения, если тепловые переходные отверстия не рассеивают достаточно тепла во внутренний слой. Узнайте больше о разработке стратегии управления теплом для вашей печатной платы.
• Каждое переходное отверстие на вашей печатной плате влияет на ваш бюджет производства, и вы должны тщательно учитывать процесс и бюджет производства печатных плат при размещении тепловых переходных отверстий.

  Узнайте больше о процессе производства и сборки печатных плат.

• Так же, как и другие медные проводники на вашей печатной плате, тепловые переходные отверстия должны размещаться в соответствии с вашими правилами проектирования и ограничениями.

  Узнайте больше об использовании проверок правил проектирования в вашем программном обеспечении для проектирования печатных плат.

Правила проектирования для переходных отверстий, площадок и полигонов в Altium Designer

Ваша подложка, тепловые переходные отверстия и передача тепла

Даже если вы используете тепловые переходные отверстия, вы не можете гарантировать, что температура вашей платы снизится до достаточно низкого значения. Это особенно актуально, когда ваша плата используется в условиях с повышенной температурой или в части вашей системы, которая будет нагреваться до более высоких температур. Пока ваша плата находится в работе, температурный градиент между вашими компонентами и окружающей средой будет ниже, что снизит скорость передачи тепла между горячими и холодными регионами.

В этом случае использование подложки с высокой теплопроводностью полезно для быстрого отвода тепла от активных компонентов. Керамика является одним из лучших вариантов материалов подложки с высокой теплопроводностью. Другой вариант - использование печатной платы с металлическим основанием; толстый медный сердечник обеспечит значительное рассеивание тепла по сравнению со стандартной компоновкой FR4. В сочетании с тепловыми переходными отверстиями ваша подложка и компоновка помогут теплу легко перемещаться в поперечном направлении через вашу плату, что приведет к более равномерной температуре равновесия во время работы. Это приводит к более равномерному тепловому расширению вашей печатной платы, что вызывает меньшую концентрацию внутренних напряжений в различных медных проводниках вашей системы.

Другие методы термического управления

Другие методы термического управления на вашей печатной плате могут обеспечить приближение температуры вашей платы к окружающей температуре. К таким методам относится установка радиатора на высокоскоростные процессоры и другие важные компоненты. Теплопроводящая подложка на радиаторе помогает обеспечить высокопроводимый путь для отвода тепла от компонента. Если на вашей плате много компонентов с высоким энергопотреблением, вам может не остаться выбора, кроме как добавить вентиляторы в вашу конструкцию для удаления тепла от важных компонентов.

Материал вашего подложки и структура слоев также должны быть разработаны с учетом отвода тепла от поверхностного слоя вашей печатной платы. Высокая теплопроводность меди во внутреннем слое вашей печатной платы легко отводит тепло от тепловых переходных отверстий к краям платы. Также очень важно расположение компонентов. Компоненты, выделяющие наибольшее количество тепла, следует размещать ближе к центру платы, а не к краю, так как это позволит теплу рассеиваться на большей площади вашей печатной платы.

• Ваши тепловые переходные отверстия должны быть разработаны в соответствии со стандартами IPC 2152 по тепловой производительности. Узнайте больше о проектировании в соответствии с руководящими принципами IPC 2152.
• Существует множество методов пассивного рассеивания тепла, которые вы можете использовать для контроля температуры вашей печатной платы.

  Узнайте больше о методах пассивного термоуправления для вашей платы.

• Альтернативный материал подложки является отличным выбором для передачи тепла от горячих к холодным областям на вашей плате и его быстрого рассеивания в окружающую среду.

  Узнайте больше о работе с альтернативными материалами подложек.

Материал вашей подложки и стек будет определять тепловое сопротивление вашей платы

Работа с программным обеспечением для проектирования тепловых переходных отверстий

Программное обеспечение для проектирования тепловых переходных отверстий использует инструменты CAD для определения стандартной геометрии ваших переходных отверстий и их распределения по всему вашему слою. С помощью правильных инструментов для размещения печатных плат вы можете спроектировать геометрию и расположение ваших тепловых переходных отверстий, чтобы создать комплексную стратегию термоуправления. Лучшее программное обеспечение для проектирования тепловых переходных отверстий также включает функции проектирования стека. Это позволяет вам определить внутренние медные слои, которые помогут проводить тепло по всей вашей печатной плате. Эти инструменты должны быть доступны наряду с другими важными функциями маршрутизации и размещения, обеспечивая полное решение на одной платформе.

Полное проектирование и размещение тепловых переходных отверстий в Altium Designer

С помощью комплексных функций создания стека слоев и тепловых переходных отверстий в Altium Designer вы можете легко создать стек слоев, тепловые переходные отверстия и разметку в одной программе. Инструменты CAD в Altium Designer доступны наряду с полным набором функций для симуляции и планирования производства.

• Интегрированная среда проектирования в Altium Designer предоставляет все необходимые инструменты CAD в одном приложении. Вы получите доступ к важным функциям проектирования и разметки тепловых переходных отверстий в одной программе. Узнайте больше о единой среде проектирования в Altium Designer.
• Работа с программным обеспечением для проектирования печатных плат, управляемым правилами, позволяет вам определять важные правила и ограничения для вашей платы. Это помогает обеспечить функциональность и производимость. Узнайте больше о движке проектирования, управляемом правилами, в Altium Designer.
• Благодаря библиотеке стека материалов в Altium Designer, вы можете выбрать из большого набора стандартных подложек с высокой или низкой теплопроводностью и различными электрическими свойствами. Узнайте больше о библиотеке стека материалов в Altium Designer.

Инструменты CAD и функции управления в Altium Designer идеально подходят для проектирования тепловых переходов, размещения компонентов и установки активных и пассивных мер охлаждения для поддержки теплопередачи в вашей системе. Вы сможете определить раскладку переходов и требования к производству в виде правил и ограничений проектирования. Также у вас будет доступ к мощному набору функций симуляции и анализа в едином приложении. Когда вы добавите библиотеку материалов стека и обширные библиотеки компонентов, у вас будут все необходимые функции для проектирования печатных плат с эффективной стратегией термоуправления и вывода их в производство.

Только Altium предлагает вам огромный набор ресурсов для проектирования печатных плат. У вас будет доступ к форуму AltiumLive, вебинарам и подкастам с экспертами отрасли, учебным пособиям и обширной базе знаний с множеством советов по проектированию. Ни одна другая компания, предлагающая программное обеспечение для проектирования печатных плат, не предоставляет такого уровня поддержки. Вместо работы с платформами проектирования печатных плат, которые разделяют ваши важные функции проектирования в разные приложения, пришло время перейти к интегрированному подходу к проектированию и размещению. Пришло время перейти на Altium Designer.