Come progettare circuiti stampati con cuscinetti ad equilibrio termico

Una volta ho letto che il giovane Eddie Rickenbacker è stato vittima di uno scherzo da parte dei suoi colleghi più anziani, quando lo hanno mandato in giro a chiedere di uno strumento che non esisteva. Successivamente Rickenbacker sarebbe diventato un pilota automobilistico nei primi del 1900, un progettista automobilistico, un asso dell'aviazione americana nella prima guerra mondiale, un consigliere del governo e infine il capo della Eastern Air Lines. Durante il suo apprendistato, in quel negozio di automobili, ha dovuto imparare le basi del mestiere come tutti. Lo ha fatto facendo molte domande.

Se sei agli inizi della tua carriera come progettista di PCB, probabilmente avrai molte domande. Questo è positivo, quindi continua a chiedere. Ho scoperto però che ci sono alcune domande che i nuovi progettisti esitano a fare. Succede spesso, perché queste domande sembrano così elementari che ritengono sia qualcosa che dovrebbero già conoscere. Uno di questi argomenti riguarda i cuscinetti ad equilibrio termico.

Cosa sono i cuscinetti ad equilibrio termico e perché sono necessari? Quando dovrei utilizzarli? Come li creo? Se queste sono alcune delle domande che ti stai ponendo, mentre impari a progettare circuiti stampati, allora continua a leggere. Farò del mio meglio per darti una panoramica su questo argomento per iniziare. Non preoccuparti, non ti manderò a cercare una chiave inglese mancina come hanno fatto i colleghi di Rickenbacker.

Some examples of thermal relief pads for negative planes

 

 

Cos'è un cuscinetto ad equilibrio termico?

Un circuito stampato multistrato di solito ha un'alimentazione interna e piani di massa. Questi piani interni vengono spesso creati come piani negativi all'interno del sistema CAD. Un piano negativo è un'immagine invertita di ciò che verrà fabbricato dal produttore di schede. Le immagini su un piano negativo rappresentano l'assenza di metallo e vengono utilizzate per creare spazi liberi intorno ai fori che non si collegano al piano. Un cuscinetto ad equilibrio termico viene utilizzato per collegare il foro al piano, ma utilizza raggi e vuoti per restringere l'area metallica della connessione. Questo è importante per la saldatura di parti del foro passante all'interno della scheda.

Quando le guide di una parte del foro passante si collegano direttamente a un'alimentazione interna o al piano di massa senza un cuscinetto ad equilibrio termico, il piano metallico può agire come un dissipatore di calore durante la saldatura. L'ampia area di metallo in un piano provoca la dissipazione di calore e impiega più tempo prima che la saldatura fluisca di nuovo. Dato che alcune guide di una parte impiegano più tempo a saldarsi rispetto ad altre, può essere difficile fare in modo che tutte le guide della parte si saldino correttamente. Ciò può causare cattive saldature delle giunture che potrebbero rompersi, causando un contatto intermittente o un collegamento aperto.

Per contrastare questi effetti, viene utilizzato un cuscinetto ad equilibrio termico sui piani negativi. Il cuscinetto ad equilibrio termico crea piccoli vuoti di metallo intorno al foro, in modo che il collegamento avvenga attraverso piccoli raggi di metallo. Dato che il collegamento è limitato a piccoli raggi, c'è meno contatto termico con il resto del piano. Ciò consente all'alimentazione o alle guide di terra di una parte del foro passante di riscaldarsi e saldarsi alla stessa velocità delle altre guide della parte.

 

Engineers using CAD system

Lavorare con i piani negativi non deve essere un'esperienza negativa

Quando devo utilizzare un cuscinetto ad equilibrio termico durante la progettazione di circuiti stampati?

Un cuscinetto ad equilibrio termico deve essere utilizzato ogni volta che la guida di una parte del foro passante è collegata ad un piano negativo. Il numero e la larghezza dei raggi in un cuscinetto ad equilibrio termico dovrebbero essere basati su requisiti di alimentazione per quel piedino. Per esempio, un piedino di alimentazione che ha bisogno di una traccia di 40 ml per collegarsi al piano, richiederebbe un cuscinetto ad equilibrio termico con quattro raggi larghi 10 mm.

Un'altra domanda che spesso sorge è se i vias richiedono cuscinetti ad equilibrio termico. Ricordati che lo scopo di un cuscinetto ad equilibrio termico è quello di contrastare il comportamento di dissipazione del calore, attraverso le guide a foro passante per la saldatura, nei piani interni. Dal momento che un vias non ha una saldatura della guida al suo interno, in genere non richiede un cuscinetto ad equilibrio termico, e può avere una connessione solida al piano.

Come faccio a creare un cuscinetto ad equilibrio termico?

I primi sistemi CAD richiedevano che i cuscinetti ad equilibrio termico fossero costruiti manualmente. Nella mia carriera ho usato archi, linee e poligoni, per costruire migliaia di cuscinetti ad equilibrio termico. Anche se questa opzione è ancora disponibile in molti sistemi CAD attuali, solitamente non viene utilizzata, a meno che non sia richiesto un modello ad equilibrio termico personalizzato.

I cuscinetti ad equilibrio termico, nella maggior parte dei più moderni sistemi CAD, vengono creati tramite regole. Viene fornito un menu che ti consente di specificare la forma del cuscinetto (rotondo o quadrato), la rotazione del cuscinetto, il numero e la larghezza dei raggi. Queste regole possono essere applicate inoltre a piedini specifici, parti, livelli, reti o classi di rete. Avrai anche la possibilità di impostare più regole per varie situazioni, come classi di rete differenti, e quindi impostare una priorità per quelle regole.

Esiste molto di più sugli equilibri termici di quanto si possa immaginare. In questo articolo abbiamo trattato solamente le nozioni di base, ma questo dovrebbe darti già un buon punto di partenza. Apprendere il funzionamento dei tuoi strumenti CAD con cuscinetti ad equilibrio termico sarà la vera chiave per garantirti il successo.

Il software di progettazione PCB, come Altium Designer, ti fornisce ampie regole basate sul funzionamento per la creazione e l'utilizzo di cuscinetti ad equilibrio termico. Inoltre, il nuovo e migliorato ambiente di progettazione di Altium Designer 18 ti aiuterà a completare con successo tutti gli aspetti della tua prossima progettazione PCB.

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