Sử dụng Phần mềm Mô phỏng và Phân tích Nhiệt độ PCB trong Quy trình Thiết kế của Bạn

Thiết kế PCB tuân theo một quy trình cụ thể bao gồm việc tạo sơ đồ mạch, bố trí PCB và tạo ra các đầu ra. Phân tích nhiệt và độ tin cậy nên được đưa vào quy trình thiết kế PCB chuẩn ở đâu? Những vấn đề này xuất hiện ở nhiều điểm trong quá trình thiết kế khi các thách thức về quản lý nhiệt tạo ra vấn đề độ tin cậy trong các linh kiện và PCBA hoàn chỉnh.

Quản lý nhiệt trong bảng mạch in của bạn tập trung vào việc hướng nhiệt từ các khu vực nóng sang khu vực mát, cuối cùng giảm nhiệt độ và tạo ra sự phân bố nhiệt đều khắp bảng mạch in. Cách bố trí linh kiện, cấu trúc xếp chồng PCB và các linh kiện khác có thể được sử dụng để hướng nhiệt ra khỏi bộ phận và vào vỏ máy, hoặc nó có thể được loại bỏ bằng luồng không khí ép buộc. Phần mềm thiết kế tích hợp với bộ giải ngoại vi sẽ giúp bạn đánh giá cấu trúc xếp chồng PCB của mình và loại bỏ các điểm nóng trong PCBA khi hoạt động.

ALTIUM DESIGNER

Phần mềm thiết kế PCB cho điện tử tiên tiến có giao diện với nhiều ứng dụng bên thứ ba, bao gồm phần mềm phân tích nhiệt PCB.

Phân tích nhiệt độ PCB có thể bao gồm nhiều nhiệm vụ nhằm đánh giá sự truyền nhiệt qua cấu trúc của PCB. Điều này đòi hỏi phải xác định chính xác nơi sẽ phát sinh nhiệt và nhiệt độ dự kiến của các linh kiện trong quá trình hoạt động, cũng như hiểu cách cấu trúc của lớp nền PCB hỗ trợ việc truyền nhiệt. Thật không may, đây là những vấn đề đa vật lý phức tạp đòi hỏi phải sử dụng các bộ giải thuật trường để đánh giá đầy đủ. Một khi luồng không khí được thổi qua PCBA, hiệu ứng của luồng không khí trước khi chế tạo mẫu chỉ có thể được đánh giá bằng các mô phỏng CFD, điều mà không phải tất cả các nhà thiết kế đều quen thuộc.

Những nhà thiết kế có quyền truy cập vào những bộ giải thuật trường tiên tiến này nên sử dụng phần mềm thiết kế PCB có thể kết nối với phần mềm phân tích nhiệt độ PCB trong quy trình làm việc tiêu chuẩn. Trước khi xuất sang công cụ phân tích nhiệt độ PCB, có một số bước đơn giản mà nhà thiết kế có thể thực hiện để giúp quản lý việc phát sinh nhiệt trong bảng mạch và ngăn chặn sự tăng nhiệt độ quá mức trong quá trình hoạt động.

Xác định Nhiệt độ Cao và Ngăn Chặn Các Linh Kiện Nóng

Quản lý nhiệt độ PCB tập trung vào ba lĩnh vực chính:

• Xác định sự tăng nhiệt độ quá mức ở các linh kiện và trong chất liệu cơ bản của bảng mạch
• Chọn vật liệu bảng mạch để cung cấp khả năng vận chuyển nhiệt và tạo ra sự phân bố nhiệt độ đều
• Di chuyển nhiệt từ các khu vực nóng sang khu vực mát thông qua luồng không khí hoặc dẫn nhiệt

Phần mềm phân tích nhiệt độ PCB có thể giúp với những nhiệm vụ này ở các điểm khác nhau trong giai đoạn thiết kế. Thời điểm tốt nhất để sử dụng phần mềm phân tích nhiệt độ PCB là sau khi hoàn thành bố cục PCB nhưng trước khi chế tạo mẫu. Tuy nhiên, nếu bạn có thể thực hiện một số chiến lược phân tích cơ bản trước khi xuất thiết kế của mình vào chương trình phần mềm phân tích nhiệt độ PCB, bạn có thể giảm bớt mức độ cần thiết kế lại với một số phương pháp hay nhất cho tính toàn vẹn nhiệt.

Sự Nóng Lên Của Linh Kiện

Một bước bạn có thể thực hiện để hỗ trợ phân tích nhiệt và đảm bảo bạn đã xác định bất kỳ linh kiện nào nóng trên bảng mạch là sử dụng giá trị điện trở nhiệt của linh kiện để xác định nhiệt độ hoạt động của chúng. Một số linh kiện rõ ràng sẽ hoạt động ở nhiệt độ rất cao, như các bộ xử lý lớn với số lượng I/O cao. Tuy nhiên, các linh kiện nhỏ khác có thể trở nên rất nóng mặc dù chúng có thể hoạt động trong giới hạn hoạt động của mình. LDOs, PMICs, MMICs và một số ASICs là những ví dụ điển hình. Việc xác định những điều này sớm có thể giúp thông báo vị trí đặt những linh kiện này trên PCB sao cho chúng nhận được luồng không khí hoặc kết nối với một yếu tố tản nhiệt hoặc trở lại với vỏ máy. Một khả năng khác là tách những bộ phận này ra các khu vực khác nhau nếu có thể để không phát triển các điểm nóng lớn ở một khu vực của bảng mạch.

• Tìm hiểu thêm về các thông số kỹ thuật điện trở nhiệt.

Mất điện DC

Mất điện DC là một yếu tố góp phần tạo ra nhiệt trong PCB, đặc biệt trong điện tử công suất. Thiết kế số nhỏ và hầu hết thiết kế tương tự sẽ không cần loại mô phỏng này. Tuy nhiên, điện tử công suất cần đảm bảo điện năng được chuyển giao với mức mất mát tối thiểu vì điều này sẽ giúp giảm thiểu nhiệt và tối đa hóa hiệu quả cung cấp điện năng. Mất điện DC trong hệ thống của bạn có thể được đánh giá với mô phỏng phân tích PDN, sẽ tính toán phân phối điện năng DC trong PDN.

Mặc dù phân tích viên PDN không trực tiếp cho bạn biết lượng nhiệt tỏa ra hoặc nhiệt độ trong bố cục PCB của bạn, nó sẽ chỉ ra những điểm nóng có khả năng xuất hiện trong PDN. Những thay đổi đơn giản sau đó có thể được thực hiện để giúp cải thiện tính toàn vẹn của thiết kế và ngăn chặn sự cố cấp bảng mạch.

• Tìm hiểu thêm về việc sử dụng Phân tích viên PDN trong Altium Designer.

Lựa chọn Vật liệu PCB và Thiết kế Xếp chồng

Lựa chọn vật liệu trong PCB đòi hỏi phải chọn một hệ thống nhựa và chất đóng rắn, độ dày của vật liệu, và trọng lượng đồng. Độ dày của các lớp điện môi giữa các khu vực đồng nóng và các mặt phẳng lân cận cũng quan trọng vì nó quyết định sự dễ dàng của việc truyền nhiệt xung quanh PCB.

• Trọng lượng đồng: Các bảng mạch có trọng lượng đồng nặng hơn có thể chịu được dòng điện cao hơn cho một nhiệt độ cân bằng mục tiêu nhất định.
• Nội dung nhựa: Prepregs có nội dung nhựa cao hơn sẽ có xu hướng có độ dẫn nhiệt cao hơn. Những vật liệu này cũng có thể được ưa chuộng trong một số ứng dụng điện tử công suất, như trong các bảng mạch điện áp cao.
• Nhiệt độ chuyển pha kính: Bất kỳ bảng mạch nào sẽ trải qua những biến động nhiệt lớn nên có nhiệt độ chuyển pha kính cao. Các loại laminate có Tg cao thường trải qua chuyển pha kính ở 170-180 °C.
• Các lớp mặt phẳng và độ dày lớp cách điện: Đặt một lớp mặt phẳng gần khu vực nóng của đồng sẽ giúp loại bỏ nhiệt từ khu vực nóng hơn và truyền nhiệt đó sang các khu vực khác của bảng mạch.

Sau khi chọn những thông số kỹ thuật này trên vật liệu cách điện, bạn có thể xây dựng cấu trúc PCB và gửi nó đến nhà sản xuất để xác nhận. Hãy chắc chắn bạn hiểu tất cả các tính chất vật liệu liên quan của vật liệu cách điện PCB khi chọn vật liệu.

• Tìm hiểu thêm về các tính chất vật liệu cách điện PCB.

Sau khi hoàn thành các nhiệm vụ thiết kế này và bố cục PCB được hoàn thiện, thiết kế có thể được xuất ra dưới dạng định dạng tệp trung gian để sử dụng trong mô phỏng. Một công cụ bên ngoài nên được sử dụng cho mô phỏng và phân tích nhiệt động toàn diện trước khi hoàn thiện PCB và chuẩn bị cho sản xuất.

Điều gì cần chú ý trong Phần mềm Phân tích Nhiệt PCB

Trong phần mềm phân tích nhiệt PCB của bạn, mục tiêu của bạn là xác định phân bố nhiệt độ cân bằng dựa trên điều kiện hoạt động điển hình cho bộ lắp ráp PCB. Kết quả mô phỏng bạn tạo ra cho PCB của mình nên hiển thị phân bố nhiệt độ trong không gian, cũng như thông tin bổ sung về biến dạng nếu có thể. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ cân bằng được biết đến ở các khu vực khác nhau của bảng mạch, có thể ước lượng biến dạng từ những dữ liệu này.

Các ứng dụng giải pháp trường bên thứ ba như Ansys có thể kết nối với Altium Designer có thể được sử dụng để chạy các mô phỏng này. Những công cụ mạnh mẽ này có thể được sử dụng để xác định sự biến dạng của PCB do các biến động nhiệt, sốc nhiệt và chu kỳ nhiệt. Sự kết hợp của những công cụ này cung cấp cho bạn mọi thứ bạn cần để đánh giá độ tin cậy trong PCBA của mình vì hỏng mỏi là một điểm quan trọng cần xem xét trong bố cục PCB.

Tìm hiểu thêm về đánh giá độ tin cậy nhiệt của PCB.

Khi các thiết bị hoạt động ở nhiệt độ cao và cần giảm nhiệt đáng kể, luồng không khí thường được thêm vào thiết kế cùng với tản nhiệt, hợp chất nhiệt và đồng bổ sung. Hiệu quả của quạt cung cấp luồng không khí, hoặc đối lưu tự nhiên, có thể được đánh giá sử dụng các mô phỏng đồng nhiệt CFD. Những giải pháp trường nâng cao hơn này giúp bạn xem xét cách nhiệt lan tỏa xung quanh PCB do hoàn toàn luồng không khí. Các điểm cần xem xét thêm trong bố cục PCB bao gồm vị trí cơ khí của quạt, yêu cầu một công cụ MCAD để ngăn chặn sự can thiệp và thiết kế vỏ bọc để tối đa hóa sự tản nhiệt và luồng không khí.

• Tìm hiểu thêm về quy trình làm việc tích hợp ECAD/MCAD.

Chia sẻ Mô hình Mô phỏng Nhiệt của Bạn Với Altium 365

Altium Designer đã trở thành gói phần mềm thiết kế PCB tiêu chuẩn của ngành, cung cấp bộ công cụ thiết kế và sản xuất chất lượng cao nhất cần thiết để tạo ra các sản phẩm điện tử tiên tiến. Người dùng có thể mở rộng khả năng thiết kế và mô phỏng của mình bằng cách sử dụng một gói phần mềm phân tích nhiệt PCB bên ngoài có giao diện với Altium Designer thông qua một định dạng tệp trung gian.

Công cụ hiện tại trong Altium Designer để tạo ra các tệp mô hình mô phỏng này là tiện ích mở rộng EDB Exporter, sẽ tạo ra một tệp EDB từ bố cục PCB của bạn để sử dụng trong các trình giải Ansys. Nền tảng Altium 365 giúp dễ dàng chia sẻ các tệp mô hình mô phỏng này với người hợp tác, giữ chúng trong một dự án và đặt các tệp trong kiểm soát phiên bản, và phát hành tất cả dữ liệu dự án cho sản xuất.

Giao diện Với Các Trình Giải Ngoại Vi Qua Altium 365

Altium Designer và Altium 365 mang lại cho người dùng một cách độc đáo để giao diện với các ứng dụng trình giải ngoại vi cho phân tích nhiệt PCB. Người dùng Altium Designer có nhiều tiện ích xuất khác nhau có sẵn để tạo ra các tệp cụ thể cho nhà cung cấp và trung lập với nhà cung cấp để sử dụng trong phần mềm phân tích nhiệt PCB. Khi bạn tạo ra các tệp này, bạn có thể dễ dàng chia sẻ chúng với đội ngũ thiết kế và người hợp tác của mình sử dụng nền tảng Altium 365. Việc chia sẻ được bảo mật qua một nền tảng đám mây và bao gồm một hệ thống kiểm soát phiên bản dựa trên Git tích hợp.

• Altium Designer cung cấp cho người dùng mọi thứ họ cần để tạo ra các thiết bị điện tử tiên tiến và chuẩn bị tài liệu bố trí mạch in.
  Tìm hiểu thêm về bộ công cụ hoàn chỉnh của Altium Designer cho thiết kế mạch in.
• Altium Designer bao gồm nhiều tiện ích mở rộng để mở rộng khả năng của môi trường thiết kế, bao gồm cả trình xuất file EDB để kết nối với các ứng dụng mô phỏng nhiệt Ansys.
  Tìm hiểu thêm về tiện ích mở rộng Ansys EDB Exporter cho Altium Designer.
• Altium 365 là lý tưởng để lưu trữ và chia sẻ tất cả dữ liệu dự án của bạn, bao gồm cả các mô hình mô phỏng để sử dụng trong các ứng dụng giải pháp trường tiên tiến.
  Tìm hiểu thêm về việc sử dụng Altium 365 để chia sẻ mô hình mô phỏng và dữ liệu của bạn.

Altium Designer trên Altium 365 mang lại một lượng tích hợp chưa từng có cho ngành công nghiệp điện tử cho đến nay, chỉ giới hạn trong thế giới phát triển phần mềm, cho phép các nhà thiết kế làm việc từ xa và đạt được mức độ hiệu quả chưa từng có. Một khi bạn đã chia sẻ mô hình mô phỏng nhiệt của mình với các cộng tác viên, họ có thể đặt nhận xét trong thiết kế và đề xuất các sửa đổi để giúp đảm bảo mức độ chất lượng và độ tin cậy cao nhất. Khi một thiết kế đã hoàn thành và sẵn sàng để phát hành ra sản xuất, Altium 365 cho phép bạn phát hành thiết kế của mình vào sản xuất thông qua một nền tảng trực tuyến hoặc thông qua bộ công cụ tiêu chuẩn trong Altium Designer.

Chúng tôi mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí phần mềm mô phỏng nhiệt trong Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.