Проектирование печатных плат и управление температурным режимом тесно связаны, поскольку тепловые проблемы, как известно, значительно сокращают полезный срок службы печатной платы и компонентов. Тепло, генерируемое в печатной плате активными и пассивными компонентами, как правило рассеиваются рядом с компонентами, что приводит к сильному повышению температуры из-за низкой теплопроводности большинства подложек печатных плат. Множественные термоциклы печатной платы и компонентов (быстрое изменение температуры от высокого до низких температур) уменьшат срок службы вашей системы и могут привести к преждевременному выходу из строя компонентов или медных проводников.

Любой проектировщик должен подумать о том, как управлять теплом, выделяемым компонентами, используя комбинацию стратегий. Среди стратегий разработчики могут использовать термопрокладку и радиатор на каждом теплонагруженном компоненте, творческое использование медных полигонов на внутренних слоях печатной платы, материалы подложки с высокой теплопроводностью и тепловые отверстия рядом с активными компонентами, которые рассеивают большую мощность. Стратегически выгодное размещение компонентов, также, важно для предотвращения образования теплонагруженных областей на печатной плате.

Благодаря инструментам проектирования и анализа в Altium Designer можно разработать стратегию, которая поможет поддерживать температуру печатной платы в допустимых пределах, несмотря на высокую термостойкость большинства материалов подложек печатных плат. Инструменты компоновки печатной платы позволяют проектировать плату с переходными тепловыми отверстиями, наряду с мерами пассивного и активного охлаждения, а также подложками с высокой теплопроводностью и нестандартной компоновкой.

 

Altium Designer

 Унифицированная платформа проектирования печатных плат, объединяющая расширенные функции компоновки печатных плат с комплексными функциями проектирования переходных отверстий и контактных площадок.

Компоненты на любой печатной плате будут выделять некоторое количество тепла во время работы, и разработчик вынужден предпринимать шаги для борьбы с чрезмерным повышением температуры во время работы. Если вы когда-либо видели разогнанный игровой ПК, то вы знакомы с массивными охлаждающими вентиляторами и даже системами жидкостного охлаждения, используемыми для отвода тепла от видеокарт и процессоров. Скорее всего, вашей печатной плате не понадобятся такие экстремальные меры по рассеиванию тепла. Однако вам следует подумать о том, как отводить тепло от ваших компонентов и обеспечивать равномерное распределение температуры по всей плате.

Высокое тепловое сопротивление многих материалов подложек печатных плат может привести к образованию регионов локального перегрева вблизи тепловыделяющих компонентов. Зоны локального перегрева имеют тенденцию накапливаться вблизи активных компонентов, выделяющих значительное количество тепла. Среди различных методов борьбы с повышением температуры печатной платы тепловые переходы особенно полезны для отвода тепла от активных компонентов во внутренний слой печатной платы.

Размещение тепловых переходных отверстий под теплоотводящей контактной площадкой, прикрепленной к кристаллу, является одним из способов передачи тепла во внутренний слой платы. Наилучшие результаты достигаются при оптимизации количества и расположения тепловых отверстий под рассматриваемым компонентом. В сочетании с другими методами охлаждения, такими как использование радиатора и термопрокладки на каждом активном компоненте, а также с некоторыми мерами активного охлаждения, вы сможете поддерживать температуру своих компонентов ниже их максимальных номинальных значений и продлить срок службы вашей печатной платы.

 

Что такое термальные переходы?

Тепловые переходные отверстия — это просто переходные отверстия, расположенные под компонентом, который проходит через слои платы. Переходные отверстия могут подключаться к заземляющему слою в стеке для передачи тепла на внутренний слой, где затем тепло передается через заземляющий слой к остальной части платы.

Тепловые переходы могут быть размещены как сквозные отверстия, чтобы они обеспечивали рассеивание тепла по всему стеку. Кольцевые контактные площадки этих тепловых отверстий должно быть свободны от паяльной маски на внешних слоях под целевым компонентом. Их можно припаять к «термопаду» компонента,  чтобы обеспечить равномерную теплопроводность по всей конструкции. Заполнение этих переходных отверстий эпоксидной смолой также приветствуется, так как это предотвращает просачивание припоя на обратную сторону платы. Если рассмотреть распределение температуры по всей плате, то видно, что распределение температуры на поверхности и во внутреннем слое распространяется по мере удаления от теплового отверстия (градиент рассеивания тепла).

Перенос тепла от тепловых отверстий к подложке печатной платы

 

Расположение тепловых переходных отверстий под компонентом SMD

 Многие компоненты, такие как компоненты в корпусах QFP, имеют теплоотводящую площадку, прикрепленную к кристаллу, в нижней части компонента, а тепловые отверстия должны быть расположены под компонентом соответствующим образом. Размещение нужного количества тепловых отверстий с соответствующим шагом между ними оптимизирует эффективную теплопроводность конструкции, позволяя передавать максимальное количество тепла в подложку и приближая температуру компонента к температуре окружающей среды.

Пример расстояния между тепловыми переходами на печатной плате

Поскольку многие печатные платы разработаны на подложке из FR4, высокое тепловое сопротивление этого материала подложки требует применения определенных методов рассеивания тепла для снижения температуры платы. Разработчикам следует рассмотреть возможность сочетания тепловых отверстий с другими методами рассеивания тепла, чтобы довести температуру подложки и компонентов до приемлемого уровня. Это особенно важно, если ваша плата будет постоянно подвергаться воздействию высоких и низких температур.

Тепловые переходы — это лишь часть более крупной стратегии управления температурным режимом для вашей печатной платы. Вы должны использовать другие методы рассеивания тепла, такие как радиатор, термопрокладка или паста, а также охлаждающие вентиляторы, если тепловые переходы не рассеивают достаточно тепла на внутренний слой.

Как и другие медные проводники на вашей печатной плате, тепловые переходы должны быть размещены в соответствии с вашими правилами проектирования и ограничениями.

Правила проектирования переходов, контактных площадок и полигонов в Altium Designer

 

Ваша подложка, тепловые переходы и теплопередача

 Даже если вы используете тепловые переходы, вы не можете гарантировать, что температура вашей платы упадет до достаточно низкого значения. Все усугубляется, если ваша плата используется (эксплуатируется) в среде с более высокой температурой или в части вашей системы, которая будет нагреваться до более высокой температуры. Пока ваша плата работает, температурный градиент между вашими компонентами и окружающей средой будет недостаточно высок, что снизит скорость теплопередачи между горячими и холодными областями.

Именно здесь полезно использовать подложку с высокой теплопроводностью для быстрого отвода тепла от активных компонентов. Керамика является одним из лучших материалов для подложек с высокой теплопроводностью. Другой вариант — использовать печатную плату на металлической основе; толстый медный слой обеспечивает значительное рассеивание тепла по сравнению со стандартным стеком FR4. В сочетании с тепловыми отверстиями ваша подложка и электропроводные слои помогут теплу легко перемещаться в поперечном направлении через вашу плату, что приведет к более равномерной равновесной температуре во время работы.

 

Другие методы терморегулирования

 Другие методы управления температурным режимом вашей печатной платы могут приблизить температуру вашей платы к температуре окружающей среды. Эти методы включают установку радиатора на высокоскоростные процессоры и другие важные компоненты. Термопрокладка на радиаторе обеспечивает отвод тепла от компонента за счет своей  высокой теплопроводности. Если на вашей плате установлено большое количество компонентов высокой мощности, у вас может не быть иного выбора, кроме как добавить в конструкцию вентиляторы для отвода тепла от теплонагруженных компонентов.

Ваш материал подложки и стек слоев также должны быть подобраны с учетом отвода тепла от поверхностного слоя вашей печатной платы. Высокая теплопроводность меди во внутреннем слое вашей печатной платы будет способствовать отводу тепла от тепловых отверстий к краям печатной платы. Расположение компонентов также очень важно. Компоненты, выделяющие наибольшее количество тепла, должны располагаться ближе к центру платы, а не к краю, так как это позволит рассеивать тепло на большей площади вашей печатной платы.

Ваши тепловые переходы должны быть спроектированы в соответствии со стандартами IPC 2152 по тепловым характеристикам.

Материал подложки и трассировка будут определять тепловое сопротивление платы.

 

Работа с Thermal Via в ПО проектирования печатных плат

 Программное обеспечение для проектирования тепловых переходных отверстий использует инструменты САПР для определения геометрии переходных отверстий и зазора по всему стеку слоев. С помощью инструментов компоновки печатной платы вы можете спроектировать геометрию и расположение ваших тепловых отверстий, чтобы создать комплексную стратегию управления температурным режимом. Лучшее программное обеспечение для проектирования тепловых переходных отверстий также включает в себя функции проектирования стека, что позволяет вам определить внутренние медные слои, которые также участвуют в процессах перераспределения тепла по всей печатной плате.

Одной из самых популярных программ проектирования печатных плат является Altium Designer. Благодаря комплексным функциям Altium Designer для стека и тепловых переходных отверстий вы можете легко создавать стек слоев, тепловые переходные отверстия и компоновку в одной программе. Инструменты САПР Altium Designer доступны вместе с полным набором функций моделирования и планирования производства.

С библиотекой стеков материалов Altium Designer вы можете выбирать из большого набора стандартных материалов подложки с высокой или низкой теплопроводностью и различными электрическими свойствами.

Инструменты САПР и функции управления в Altium Designer идеально подходят для проектирования тепловых отверстий, компоновки компонентов и размещения активных и пассивных средств охлаждения для поддержки теплообмена в вашей системе. Вы сможете определить требования к компоновке переходных отверстий и изготовлению в виде правил проектирования и ограничений.

 

Источник: www.altium.com