Руководство по проектированию терморазвязки

Одним из наиболее распространённых дефектов при сборке PCB, обсуждаемых в руководствах по DFA, является эффект «надгробия» (tombstoning), а вторым по распространённости, вероятно, являются холодные паяные соединения, причём последние особенно часто отмечаются на выводах сквозного монтажа. Хотя на первый взгляд эти две проблемы могут казаться не связанными, обе они обусловлены отводом тепла от вывода или контактной площадки компонента. В PCB layout это решается добавлением терморазвязки к соответствующему компоненту, чтобы во время пайки тепло оставалось локализованным.

Тогда возникает вопрос: когда следует применять термоплощадки и каким компонентам они нужны? Некоторые рекомендации по DFA описывают использование термоплощадок как нечто необходимое повсеместно, а иногда правило проектирования по умолчанию в PCB или проекте принудительно применяет это ко всей конструкции. В этом руководстве мы разберём, как выбрать правильные параметры для термоплощадки и где её следует использовать.

Где применять терморазвязку

Ниже показан простой пример терморазвязки в PCB layout. Такая терморазвязка состоит из небольших «спиц», соединяющих медь с площадкой SMD-компонента или выводом сквозного монтажа. Эти терморазвязки автоматически создаются в вашем CAD-инструменте, поэтому вручную рисовать такие спицевые соединения, представляющие собой короткие дорожки или области заливки, не требуется.

Терморазвязка на выводах сквозного монтажа.

Здесь мы видим два случая, когда рекомендуется применять терморазвязку:

• На SMD-площадках, определяемых паяльной маской, то есть на площадках в медной заливке
• На выводах сквозного монтажа, где площадка соединяется с полигоном питания или земли

Терморазвязка не требуется в следующих случаях

• На SMD-площадках, определяемых паяльной маской, подключённых к небольшой медной заливке
• На площадках выводов сквозного монтажа, подключённых к небольшой медной заливке
• На переходных отверстиях, подключённых к медным заливкам или полигонам, даже если заливка соединяется с SMD-площадкой

Последний пункт весьма важен, поскольку технически действительно возможно применить терморазвязку к переходному отверстию. Откровенно говоря, нет никакой пользы в том, чтобы делать терморазвязку на переходном отверстии, подключённом к заливке, которая также соединена с SMD-площадкой. Если терморазвязка необходима, просто сделайте её на SMD-площадке, а не на переходном отверстии. Цель состоит в том, чтобы удержать тепло на SMD-площадке, а не позволять ему растекаться по большому участку меди.

Слева: терморазвязка на выводах сквозного монтажа для штыревого разъёма. Справа: терморазвязка на SMD-площадках, подключённых к медной заливке на том же слое.

Есть ещё несколько случаев, когда терморазвязка не требуется, особенно для SMD-компонентов. К ним относятся:

• Когда соединение с медной заливкой очень похоже на обычную дорожку
• На площадках для кристалла интегральных схем
• Когда можно гарантировать равномерный нагрев всей платы во время пайки

Последний пункт связан с процессом пайки. При пайке оплавлением необходимость в термоплощадках повсеместно возникает значительно реже. Однако если вы собираетесь паять все SMD-компоненты вручную, особенно пассивные SMD-компоненты, может иметь смысл добавить терморазвязку к их SMD-площадкам. Пайка горячим воздухом или на нагревательной плите — вариант менее предсказуемый, поскольку здесь очень многое зависит от квалификации сборщика и используемого оборудования.

Когда медная заливка считается большой?

Это важный вопрос, поскольку именно он определяет, когда следует размещать терморазвязку на выводах сквозного монтажа или SMD-площадках. Для компонентов сквозного монтажа терморазвязка обычно ставится на соединении с полигоном. Однако если вместо сплошного полигонального слоя на одном из слоёв используется медная заливка, ситуация по сути та же: имеется большая область меди, которая может отводить тепло от вывода и потому может потребовать терморазвязки. Тот же эффект наблюдается и у SMD-компонента, расположенного на медной области, например на большой медной заливке на одном из внешних слоёв.

Но если вы подключаете один из таких компонентов к полигону на каком-либо слое, нужно ли делать терморазвязку для каждого такого полигона? Думаю, ответ — «нет».

• Когда медная заливка очень маленькая, она похожа на дорожку, и терморазвязка не требуется.
• Когда медная заливка на внутреннем слое очень большая, она становится похожей на полигон, и для сквозных выводов терморазвязка будет необходима.
• Когда медная заливка на внешнем слое достаточно велика, чтобы покрывать большую часть поверхности, она тоже становится похожей на полигон, и терморазвязка будет необходима.

Где-то между очень маленькими и очень большими медными заливками есть точка, начиная с которой терморазвязка на выводе или площадке компонента становится необходимой. Достаточно трудно предсказать, где именно она находится, не прогнав тестовый купон большой партии плат через процесс пайки. Также следует ожидать различий между пайкой оплавлением и ручной пайкой. Хотя это можно смоделировать, более разумный подход — признать, что момент, когда терморазвязка становится необходимой, должен определяться по результатам контроля качества уже собранных плат.

Как должна быть спроектирована терморазвязка?

Конструктору не нужно прилагать чрезмерных усилий для создания терморазвязки. Обычно достаточно простой спицевой структуры с подключением с четырёх сторон вывода или площадки. Размер спиц, ширину дорожек, а также зазор или размер окна следует выбирать так, чтобы краевые элементы не получались слишком маленькими. Не делайте спицы площадки настолько тонкими, чтобы выйти за пределы допустимого травления. Также делайте окно вокруг площадки достаточно большим, чтобы оставаться в пределах допустимого краевого зазора.

Как правило, дорожки шириной 8 mil и зазор 10 mil подходят для большинства компонентов. Для значительно более мелких пассивных компонентов в компактных корпусах, размещаемых с высокой плотностью, ширину дорожек и зазор можно уменьшить, чтобы дорожки помещались вокруг площадки.

Терморазвязка, применённая к пользовательской площадке в Altium.

Проектирование терморазвязки в Altium

Altium предлагает несколько способов реализации терморазвязки для SMD-деталей и компонентов сквозного монтажа. Их можно применять глобально или выборочно следующим образом:

• Применение стиля терморазвязки с помощью правила проектирования plane или polygon connect
• Применение термоплощадок с помощью правила проектирования, но с областью действия, ограниченной конкретными футпринтами или классами компонентов
• Применение терморазвязки к конкретной SMD-площадке или выводу сквозного монтажа на основе свойств площадки/вывода

Система правил проектирования и система запросов в Altium позволяют комбинировать эти подходы для разных типов компонентов или групп компонентов. Если вы используете правила проектирования, у вас всегда остаётся возможность вручную применить терморазвязку к конкретным выводам сквозного монтажа или SMD-площадкам.

Чтобы узнать больше о применении терморазвязки в вашем PCB layout, ознакомьтесь со следующими ссылками в документации Altium:

• Стиль подключения полигона
• Определение пользовательских терморазвязок

Независимо от того, разрабатываете ли вы надёжную силовую электронику или современные цифровые системы, Altium Develop объединяет все дисциплины в единую совместную среду. Без разобщённости. Без ограничений. Это пространство, где инженеры, разработчики и новаторы работают как единая команда, совместно создавая решения без барьеров. Познакомьтесь с Altium Develop уже сегодня!