Un thermal relief su un PCB è un collegamento tra pad e rame che utilizza sottili raggi di rame invece di unire il pad al piano circostante lungo tutto il suo perimetro. I raggi mantengono il collegamento elettrico limitando al contempo una parte del flusso di calore che si allontana dal pad durante la saldatura. Questo può facilitare il raggiungimento della temperatura di saldatura per un collegamento connesso a un'ampia area di rame.
Il compromesso è importante: la stessa limitazione che facilita l'assemblaggio influisce anche sul percorso elettrico e termico durante il funzionamento. Un pin di connettore a bassa corrente, un terminale ad alta corrente e il pad termico esposto sotto un dispositivo di potenza non richiedono necessariamente lo stesso tipo di collegamento. Scegli la geometria in base al circuito e al processo di assemblaggio effettivi, poi verificala con il produttore del PCB e l'assemblatore.
Per l'intero processo di saldatura, consulta le nozioni di base sulla saldatura through-hole. Per il controllo della temperatura durante l'assemblaggio SMT, consulta le nozioni di base sul profilo di rifusione. La decisione qui riguarda il collegamento in rame sul pad o sul via e il modo in cui interagisce con questi processi.
Il disegno è una vista concettuale dall'alto, non un modello di fabbricazione né una raccomandazione dimensionale. 1 indica il pad, 2 i raggi di rame, 3 il rame circostante e 4 un collegamento diretto al rame. Lo spazio visibile è una distanza nel rame; non corrisponde automaticamente a un'apertura della maschera di saldatura. Numero e dimensioni dei raggi devono essere scelti in base al progetto.
Fotografia di un circuito stampato reale con giunti saldati e piste; l'immagine non identifica il collegamento sottostante tra pad e piano. Foto: Tima Miroshnichenko / Pexels.
Perché un ampio piano di rame può rendere più difficile saldare un giunto?
Un giunto di saldatura deve raggiungere una temperatura adeguata alla lega e al flussante utilizzati. Quando un pad è collegato a un'area di rame considerevole, mentre il giunto si riscalda una parte del calore fornito fluisce nel rame. La quantità dipende dalla geometria e dallo spessore del rame, dai collegamenti sugli altri layer, dal componente, dalla scheda e dal processo di saldatura.
Per un connettore through-hole collegato a un piano di massa, l'assemblatore potrebbe dover riscaldare non solo il terminale e il pad visibile, ma anche il barrel metallizzato e il rame collegato. Se, con il processo qualificato, il giunto non riceve il calore necessario, la bagnatura o il riempimento del foro potrebbero risultare insufficienti. Un collegamento a raggi può ridurre uno dei percorsi attraverso cui il calore lascia il pad, facilitando il riscaldamento del giunto. Non sostituisce un flussante adeguato, superfici pulite, una progettazione corretta del giunto o un processo di saldatura controllato.
L'effetto è diverso per un componente a montaggio superficiale che attraversa un forno di rifusione. Se le due estremità di un componente piccolo sono collegate a geometrie di rame sensibilmente diverse, potrebbero riscaldarsi in modo diverso. È un fattore da esaminare quando un componente si solleva o si sposta durante la rifusione; contano anche i depositi di pasta, il posizionamento, la geometria del componente e il profilo di temperatura effettivo. Non diagnosticare il tombstoning basandoti solo sulla forma del rame.
Thermal relief, pad termico e via termico: funzioni diverse
I termini sono simili, ma descrivono caratteristiche diverse:
- Un collegamento thermal relief è il collegamento in rame a forma di raggi tra un pad o un via e un piano o una zona di rame circostante.
- Un pad termico esposto è una caratteristica del package, spesso sul lato inferiore di un IC, pensata per essere collegata a una piazzola corrispondente sulla scheda per trasferire calore e, talvolta, anche per realizzare un collegamento elettrico.
- Un via termico è un via usato come parte di un percorso che trasferisce calore tra layer o superfici della scheda.
- Un'apertura della maschera di saldatura espone un'area di rame per la saldatura o un altro scopo; viene definita separatamente dalla geometria del relief nel rame.
Un thermal relief può rallentare la dispersione del calore da un giunto durante l'assemblaggio. Un pad termico esposto e i relativi via termici possono essere progettati per portare il calore lontano da un dispositivo in funzione. Applicare collegamenti a raggi a ogni pad e via perché l'impostazione predefinita del CAD è “thermal” può quindi compromettere il percorso termico previsto.
Il documento Best Practices for Board Layout of Motor Drivers di Texas Instruments, SLVA959B, illustra questa distinzione nel contesto dei driver per motori: un collegamento pieno ai via termici pertinenti offre un percorso del calore meno vincolato verso i layer di rame. Anche il documento PowerPAD Layout Guidelines di TI, SLOA120, propone una raccomandazione simile per le costruzioni descritte. Sono esempi di indicazioni specifiche per componenti e applicazioni, non la prova che ogni pad di potenza o ogni via debba usare lo stesso collegamento. Segui la documentazione del componente specifico e valuta la scheda completa.
Relief o collegamento diretto: quale domanda viene prima?
| Collegamento in esame | Perché valutare un relief | Perché valutare un collegamento diretto | Elementi da concordare |
|---|---|---|---|
| Pin through-hole saldato e collegato a un ampio piano | Ridurre il flusso di calore verso il piano mentre il giunto viene riscaldato. | Mantenere un percorso in rame più robusto quando lo richiedono le esigenze elettriche o termiche. | Progettazione del giunto, processo di saldatura, metodo di ispezione e requisiti elettrici. |
| Piccolo componente SMT a due terminali | Facilitare la verifica dell'equilibrio termico tra i due pad. | Mantenere il percorso elettrico necessario o il land pattern specifico del componente. | Geometria della pasta e dei pad, rame su ciascun lato, posizionamento e comportamento in rifusione. |
| Terminale di potenza o pad percorso da corrente | Rendere possibile la saldatura se la geometria è adeguata al carico. | Fornire una maggiore area di collegamento al rame se richiesta dall'analisi di corrente e aumento della temperatura. | Profilo del carico, geometria del rame, limiti di temperatura e convalida dell'assemblaggio. |
| Pad esposto di un dispositivo di potenza o via di trasferimento termico | Un relief può essere considerato per una distinta esigenza di saldatura solo se non compromette il progetto previsto. | Mantenere il percorso termico specificato per il componente e la scheda. | Land pattern del componente, percorso termico, trattamento dei via e temperature del dispositivo misurate o analizzate. |
| Collegamento di massa RF o relativo a un segnale | Anche l'assemblaggio deve garantire un processo ripetibile. | Mantenere una geometria di riferimento o di massa scelta per le prestazioni elettriche. | Indicazioni di layout del componente e analisi RF o di integrità del segnale per la struttura effettiva. |
Una tabella non può decidere da sola questi collegamenti. Il progettista è responsabile del circuito e dei requisiti prestazionali; il produttore e l'assemblatore possono verificare se la geometria in rame proposta è realizzabile e saldabile con il processo concordato. Se il percorso elettrico o termico preferito rende difficile la saldatura, discutete insieme processo e layout invece di restringere il collegamento senza comunicarlo.
Cosa cambia con larghezza, numero e distanza dei raggi?
Un relief comprende raggi di rame, un pad e uno spazio tra il pad e la zona di rame circostante. A parità di altre condizioni, raggi più larghi o più efficaci in genere riducono la resistenza elettrica e conducono più calore nel piano; può quindi aumentare il calore necessario per portare il giunto alla temperatura di saldatura. Uno spazio maggiore in genere allunga i raggi e limita maggiormente questi percorsi, ma può anche influire sul rame intorno alle caratteristiche vicine. Queste variabili interagiscono e descrivono tendenze, non una portata di corrente: valutale insieme nella geometria effettivamente generata.
Considera la geometria che verrà davvero fabbricata. Una regola CAD può richiedere più raggi, ma le distanze vicine, un pad adiacente, il contorno della scheda o un'altra area di rame possono modificare il risultato del riempimento. Anche la larghezza di un raggio sottile può essere limitata dalla capacità del produttore di realizzare caratteristiche minime e rispettare la registrazione. Dopo aver riempito nuovamente le zone e generato i dati di fabbricazione, controlla il rame risultante su ogni layer pertinente. Le impostazioni specificate e il disegno finale del rame non sono necessariamente identici.
Non esistono numero, larghezza o distanza dei raggi universali, né un limite di corrente adatto a ogni scheda. Non moltiplicare un valore generico di corrente per pista per il numero di raggi visibili e dichiarare approvato il pad. Contano anche la distribuzione della corrente, lo spessore e la geometria del rame, la temperatura, le fonti di calore vicine, le tolleranze e il resto del circuito. Per un collegamento impegnativo, il responsabile del progetto dovrebbe predisporre un piano di analisi e convalida adeguato alla struttura effettiva.
Esempio di verifica geometrica
Supponiamo che un pad rotondo abbia un diametro di 1,20 mm e che il layout preveda uno spazio radiale di relief di 0,22 mm su ciascun lato. In questo esempio ipotetico e concentrico, il diametro esterno nominale dell'area libera è:
1,20 mm + 2 × 0,22 mm = 1,64 mm
Il valore descrive il diametro esterno massimo dell'area di distanza prima di considerare le caratteristiche adiacenti; i raggi di rame attraversano comunque lo spazio. Non è il diametro del foro, l'apertura della maschera di saldatura, una distanza consigliata né una tolleranza della scheda finita. Per un pad oblungo o di forma personalizzata, esamina la geometria effettivamente generata invece di considerarlo un cerchio. Prima di approvare le dimensioni, conferma le regole del produttore sul rame minimo e sulle distanze per lo stackup e il peso del rame scelti.
Questa verifica del disegno non è una specifica di fabbricazione APTPCB né un calcolo di corrente o riscaldamento: larghezza dei raggi, numero effettivo di raggi collegati, rame dei layer interni e processo di saldatura restano parametri separati.
Controlla l'output CAD effettivo
In uno strumento CAD basato su zone, controlla l'impostazione di connessione per la zona, il footprint e il singolo pad pertinenti, quindi riempi nuovamente il rame e ispeziona la forma risultante su ciascun layer interessato. Cerca un raggio mancante, un'isola di rame isolata o un collegamento pieno rimasto su un layer interno. Esegui i controlli di connettività e delle regole di progettazione, poi esamina i layer di rame esportati insieme ai dati di foratura e maschera.
Ad esempio, la documentazione di PCB Editor 10.0 di KiCad descrive le sovrascritture di connessione per pad e footprint e le impostazioni delle zone per lo spazio del relief e la larghezza dei raggi. Riporta anche un dettaglio legato alla versione: prima di KiCad 9, inserire 0 per lo spazio o la larghezza dei raggi di un pad comportava l'ereditarietà; da KiCad 9 in poi, 0 è un valore esplicito, mentre un campo vuoto eredita il valore. Prima di modificare un progetto esistente, verifica la versione e il riempimento generato effettivo. Gli altri strumenti CAD hanno regole proprie e possono usare una terminologia diversa.
I pin through-hole e i pad SMT richiedono verifiche separate
Per un foro metallizzato, guarda oltre l'anello anulare del layer superiore. Il barrel può collegarsi al rame su più layer, ciascuno con una propria relazione tra pad e piano. Il pattern di relief proposto va esaminato considerando foratura, diametro finale del foro, collegamenti interni, terminale del componente e metodo di saldatura. Una superficie superiore dall'aspetto corretto non mostra da sola l'intero stato del giunto; ispezione e accettazione devono rispettare i requisiti concordati per il prodotto.
Per un pad SMT, confronta l'intero ambiente in rame di tutti i terminali pertinenti. Un pad può essere collegato direttamente a un'ampia zona mentre l'altro è collegato a una pista stretta. Anche un altro layer o un via vicino può disperdere calore. Se il team di assemblaggio rileva una rifusione non uniforme o un componente sollevato, esamina insieme depositi di pasta, orientamento del componente, posizionamento, profilo e collegamenti in rame prima di modificare soltanto l'impostazione del relief.
La maschera di saldatura non determina se il pad è collegato tramite raggi o rame pieno. Rame e maschera sono layer di fabbricazione distinti. Un land definito dalla maschera, un land definito dal rame e un collegamento di relief rispondono a domande geometriche diverse. Verifica gli output di rame e maschera rispetto alle indicazioni sul land pattern del componente e alle regole del produttore; per l'approfondimento specifico sulla maschera, consulta le regole di distanza e dam della maschera di saldatura.
Una scheda ipotetica con tre collegamenti diversi
Immagina una scheda di controllo con un connettore di segnale through-hole a bassa corrente, un connettore di alimentazione che trasporta una corrente considerevole e un IC driver per motori con un pad esposto destinato a trasferire calore nella scheda. Tutti e tre toccano ampie aree di rame, ma un'unica impostazione globale “thermal relief ovunque” lascerebbe senza risposta tre domande diverse.
| Collegamento | Opzione da valutare in base alle condizioni | Cosa verificare prima del rilascio |
|---|---|---|
| Connettore di segnale a bassa corrente | Inizia con il thermal relief se non ci sono vincoli elettrici particolari e i raggi generati rispettano le regole di progetto e fabbricazione. | Il rame effettivo su tutti i layer collegati, l'adeguatezza elettrica, il riscaldamento e l'ispezione con il metodo di saldatura previsto. |
| Connettore di alimentazione | Inizia con un collegamento pieno se l'analisi mostra che i raggi proposti superano la caduta di tensione o l'aumento di temperatura ammessi. | Il percorso completo della corrente con il carico specificato; adegua il processo di saldatura al carico termico maggiore e verifica la qualità del giunto. |
| Via termici del driver per motori | Usa la struttura piena richiesta dalla documentazione del componente specifico quando le indicazioni richiedono un collegamento completo per il trasferimento di calore. | La costruzione prevista per pad esposto e via, collegamenti elettricamente corretti ai piani, requisiti di assemblaggio e temperatura operativa del dispositivo. |
Queste sono opzioni possibili per questa scheda ipotetica, non risultati di test, un caso cliente APTPCB o soglie generali di corrente. Registra i pad e i layer interessati, il motivo di ciascuna eccezione e le evidenze necessarie al rilascio. Una regola globale può quindi prevedere eccezioni locali documentate.
Cosa controllare quando la saldatura è difficile?
| Osservazione | Verifica prima di modificare il layout | Possibile seguito |
|---|---|---|
| Un giunto through-hole si riscalda lentamente. | Rame collegato su tutti i layer, geometria del terminale e del foro, preriscaldamento, flussante e metodo di saldatura. | Valuta un collegamento di relief o una modifica del processo di assemblaggio rispetto ai requisiti elettrici. |
| Un'estremità di un piccolo componente si solleva o si sposta. | Quantità di pasta, posizionamento, geometria dei pad, squilibrio del rame e profilo misurato. | Correggi la causa verificata; dopo ogni modifica confronta i collegamenti di entrambi i pad. |
| Un pad percorso da corrente si scalda più del previsto. | Carico e duty cycle, geometria effettiva di rame e raggi, condizioni del giunto, posizione di misura e altre fonti di calore. | Rivaluta il percorso elettrico e la temperatura nelle condizioni operative specificate. |
| Un IC di potenza è più caldo del previsto. | Montaggio del componente, saldatura del pad esposto, collegamenti di rame e via termici, percorso dalla scheda all'involucro e condizioni operative. | Confronta i risultati con le indicazioni termiche del produttore del componente e convalida la scheda aggiornata. |
| Un pad CAD sembra scollegato dopo il riempimento di una zona. | Assegnazione del net, priorità delle zone, distanze, geometria minima dei raggi e sovrascritture specifiche del pad. | Correggi il progetto approvato, riempi di nuovo le zone, ripeti i controlli di connettività e ispeziona i layer tracciati. |
Sono punti di partenza per l'indagine. Non aumentare la temperatura del saldatore, modificare una ricetta di rifusione o allargare un collegamento in rame senza verificare i limiti del componente, il processo di assemblaggio e l'effetto sul resto della scheda.
Confronta due collegamenti candidati prima del rilascio
Se i requisiti di saldatura e funzionamento puntano in direzioni diverse, confronta le geometrie proposte su campioni rappresentativi invece di scegliere in base a una soglia generica di corrente. Per esempio, un team potrebbe realizzare il candidato A con un collegamento a raggi concordato e il candidato B con un collegamento diretto per lo stesso pin through-hole. Si tratta di un esperimento proposto, non di un risultato misurato:
- Registra per ciascun candidato la revisione della scheda, i layer di rame e la costruzione finita, le dimensioni di pad e foro e il collegamento effettivamente generato su ogni layer interessato.
- Mantieni costanti componente, lega di saldatura, flussante, manipolazione della scheda e processo di assemblaggio previsto; registra eventuali differenze di processo e la dimensione del campione. Includi il metodo di saldatura usato in produzione, senza presumere che la saldatura manuale rappresenti un processo a onda o selettivo.
- Definisci i criteri di accettazione del progetto prima delle prove. Ispeziona i giunti con il metodo concordato; se una questione sul riempimento interno del foro richiede un esame distruttivo, concorda il campione e la posizione della sezione. Una sezione è un'osservazione locale, non una prova valida per ogni giunto.
- Valuta separatamente il collegamento elettrico e la temperatura alla corrente operativa, al duty cycle e nell'ambiente specificati. Confronta ogni risultato con i limiti di progetto; un giunto dall'aspetto corretto non dimostra il margine termico durante il funzionamento.
- Registra la geometria scelta, le evidenze, i rischi residui e i responsabili dell'approvazione. Se nessun candidato soddisfa sia i requisiti di assemblaggio sia quelli operativi, rivedi il progetto o il processo e ripeti le verifiche pertinenti.
Un piccolo progetto pilota può rivelare una differenza pratica, ma non dimostra l'affidabilità per l'intera vita utile né il tasso di difetti in produzione. Concorda il campionamento e ogni ulteriore qualifica con i team di prodotto e qualità.
Cosa includere nella consegna per la fabbricazione e l'assemblaggio?
Fornisci i dati rilasciati di rame e maschera di saldatura, i file di foratura, lo stackup, le informazioni sui componenti, i disegni di fabbricazione e assemblaggio e il processo di saldatura previsto. Identifica pad o via che richiedono uno specifico tipo di collegamento, comprese le caratteristiche di trasferimento del calore e le net critiche per la corrente. Segnala le modifiche al progetto che il produttore o l'assemblatore deve sottoporre ad approvazione, invece di presumere che una modifica CAM globale sia accettabile.
Un breve verbale di revisione può rendere riproducibile la decisione:
| Informazione per ogni pad o via critico | Dato specifico del progetto da concordare |
|---|---|
| Identificazione | Revisione della scheda, riferimento, pad/net e layer interessati. |
| Rame previsto | Collegamento di relief o pieno; geometria generata dei raggi o collegamento diretto; eccezioni alle regole predefinite. |
| Esigenze elettriche e termiche | Corrente operativa e duty cycle, temperatura o caduta di tensione ammissibile, requisiti del percorso termico del componente. |
| Assemblaggio | Metodo di saldatura, vincoli del componente e modalità di accesso e ispezione del giunto. |
| Evidenze per il rilascio | Disegno e criteri applicabili, campione e piano di prova, risultati, deroghe aperte e responsabile della decisione. |
Allega al verbale i criteri di accettazione concordati e i risultati di assemblaggio, ispezione e temperatura operativa. Una verifica delle regole di progettazione per la fabbricazione valuta le regole geometriche codificate; non dimostra la qualità del giunto né le prestazioni operative.
Richiedi un preventivo o contatta il team inviando i dati della scheda e gli eventuali requisiti speciali di collegamento o assemblaggio. Il team di progetto potrà concordare la verifica di producibilità e i deliverable disponibili. Il responsabile della progettazione del prodotto resta responsabile delle prestazioni del circuito, dei limiti dei componenti e della qualifica finale del prodotto.
Domande frequenti
Tutti i pad di massa dovrebbero usare un thermal relief?
No. La risposta dipende dalla funzione del pad, dal percorso del rame, dai requisiti del componente e dal metodo di saldatura. Un pin di connettore elettricamente poco critico e un collegamento di massa che deve condurre molto calore o corrente possono avere priorità differenti.
Un thermal relief raffredda un componente?
In questo contesto, il suo scopo principale è ridurre il flusso di calore tra un pad e il rame circostante durante la saldatura. Limitare lo stesso percorso può renderlo meno efficace nel trasferire il calore lontano da un componente in funzione. Valuta il progetto termico completo invece di scegliere un relief solo perché il suo nome contiene “thermal”.
Un pad collegato in modo pieno può comunque essere saldato?
Sì, se il giunto e il processo di assemblaggio sono adeguati al carico termico effettivo. Le attrezzature, il profilo o il metodo di riscaldamento locale necessari dipendono dalla scheda, dal componente e dal processo di saldatura. Conferma il metodo e ispeziona il giunto risultante secondo i requisiti di progetto applicabili.
Riferimenti
- Texas Instruments, Best Practices for Board Layout of Motor Drivers, SLVA959B, revisione di ottobre 2021: percorsi termici e opzioni di collegamento dei via nel contesto dei driver per motori.
- Texas Instruments, PowerPAD Layout Guidelines, SLOA120, maggio 2006: indicazioni su pad esposti e via termici per le costruzioni descritte.
- Altium Designer, Internal Power & Split Planes: opzioni di collegamento dei piani con relief, diretto o assente e considerazioni di fabbricazione.
- KiCad, PCB Editor 10.0 documentation: impostazioni di collegamento delle zone, geometria del relief e sovrascritture specifiche dei pad; consulta la documentazione della versione in uso.