Важность управления тепловым режимом в печатных платах
Управление тепловым режимом является одним из ключевых аспектов проектирования печатных плат. При пайке компонентов на плату — будь то волновой пайкой, пайкой переплавлением или ручной пайкой — необходимо соблюдать определённый тепловой профиль. Если контактная площадка, соединенная с большой медной плоскостью, не имеет теплоотводящего соединения, огромная тепловая масса этой плоскости будет поглощать тепло. Это вынуждает сборщика или автоматическое оборудование подавать тепло в течение более длительного времени, что значительно повышает риск термического повреждения подложки печатной платы (расслоения) или самого электронного компонента.
Кроме того, в процессе пайки методом рефлоу неравномерное распределение тепла может привести к дефекту, известному как “эффект могильной плиты”, особенно в случае небольших двухвыводных компонентов для поверхностного монтажа, таких как резисторы и конденсаторы. Эффект «тумбстонинга» возникает, когда паяльная паста на одной контактной площадке плавится раньше, чем на другой, в результате чего поверхностное натяжение вытягивает компонент вертикально за расплавленный конец. Правильное распределение тепла обеспечивает нагрев контактных площадок на обоих концах компонента с одинаковой скоростью, что значительно снижает вероятность возникновения этой проблемы.
Как обеспечить теплоотвод в печатной плате
Выполните следующие действия, чтобы правильно реализовать соединения для отвода тепла в программе проектирования печатных плат.
Шаг 1: Определите контакты, подключенные к медным плоскостям
Проверьте схему и макет печатной платы, чтобы выявить все контактные площадки компонентов, переходные отверстия и сквозные отверстия, которые электрически соединены с большими медными плоскостями (например, плоскостями заземления и питания).
Шаг 2: Настройка общих правил термической разгрузки
В модуле проверки правил проектирования (DRC) или в диспетчере ограничений вашей программы для проектирования печатных плат настройте правила по умолчанию для обеспечения теплового рассеивания. Укажите количество лучей (обычно от 2 до 4), их ширину и изоляционный зазор (расстояние между контактной площадкой и окружающей сплошной медной поверхностью).
Шаг 3: Регулировка ширины спиц в соответствии с текущими требованиями
Хотя тонкие спицы отлично обеспечивают теплоизоляцию, они уменьшают площадь поперечного сечения, доступную для прохождения электрического тока. Для контактных площадок, рассчитанных на высокий ток, необходимо рассчитать требуемую ширину спиц, чтобы они могли выдерживать необходимый ток без перегрева и не выступали в роли предохранителя. Соответствующим образом настройте локальные параметры для этих конкретных контактных площадок.
Шаг 4: Проверка и подтверждение подключений
После обновления полигональных заливок (медных заливок) проведите визуальный осмотр соединений тепловых разгрузочных трасс. Убедитесь, что спицы сформированы правильно и что не возникло “островков” или незавершенных соединений, особенно в областях высокой плотности печатной платы.
Передовой опыт и рекомендации
При применении тепловых разгрузочных элементов общее практическое правило заключается в использовании четырёх «спиц» для круглых контактных площадок и двух или четырёх «спиц» для прямоугольных или квадратных площадок. Ширина этих «спиц» представляет собой компромисс между тепловым сопротивлением (для облегчения пайки) и электропроводностью (для пропускания тока в цепи). Для цифровых или аналоговых сигналов с низкой мощностью стандартная ширина «спиц» обычно вполне подходит. Однако в силовой электронике может потребоваться использование нестандартных форм, более широких «спиц» или даже сплошных соединений (при наличии специального оборудования для пайки в условиях высоких температур), чтобы приоритет отдавать токопроводимости, а не простоте пайки.
Еще одним фактором, который следует учитывать, является проектирование высокочастотных радиочастотных цепей. В радиочастотных цепях индуктивность, создаваемая «спицами» теплоотводящей прокладки, может негативно повлиять на целостность сигнала. В таких конкретных случаях инженеры-радиотехники часто выбирают надежные соединения с плоскость земли и решать проблемы, связанные с пайкой, с помощью специальных производственных процессов, таких как предварительный нагрев всей печатной платы перед пайкой.
Часто задаваемые вопросы
Что произойдет, если я не буду использовать терморегулирующую прокладку?
Без теплоотводящей прокладки большая медная площадка выступает в роли радиатора, быстро отводя тепло от паяльника. Это часто приводит к образованию “холодного” паяного соединения, которое характеризуется плохой электропроводностью и низкой механической прочностью. Кроме того, это вынуждает оператора дольше применять тепло, что повышает риск повреждения печатной платы или компонента.
Существуют ли ситуации, в которых следует избегать теплового разгружения?
Да. Как правило, следует избегать использования тепловых разгрузочных элементов в цепях с высоким током, где их «лучи» могут ограничивать протекание тока и вызывать локальный нагрев. Их также часто не используют в высокочастотных радиочастотных цепях, где эти «лучи» могут вносить нежелательную индуктивность и влиять на работу цепи импеданс и целостность сигнала.
Сколько спиц должно быть у теплового клапана?
Как правило, в теплоотводящей площадке используется от 2 до 4 лучей. Четыре луча являются стандартом для круглых и большинства квадратных площадок со сквозными отверстиями. Два луча могут использоваться для небольших площадок поверхностного монтажа или в зонах плотной трассировки, где физически невозможно разместить четыре луча с соблюдением правил проектирования.
