Altium - Lib mit Kühlfläche und Vias

[D a v i d K. (oekel)]

Hi,
ich hoffe ihr könnt mir etwas bezüglich der Lib Erstellung helfen.
Das Meiste sollte sich aus der Grafik ergeben.
Es handelt sich um den ST-VNH3SP30, für den ich nach Datenblatt das 
Footprint selbst angelegt habe.

Nun gibt es dort die auffälligen 3 Kühlflächen unter dem Chip, die je 
nach Anwendung ordentlich erweitert werden müssen, damir der Chip 
genügend Kühlung erhält.

Da es ein zweilagiges Layout ist (ja ich weiß "nur") würde ich gerne die 
Kühlfläche auf beide Seiten der Platine ausdehnen.

Intuitiv habe ich Top und Bottom Rechtecke gezogen und einige Vias 
durchgelegt.

Jetzt frage ich mich, ob ich diese um eine "Solder Mask" und "Paste 
Mask" erweitern sollte? Also werden die Flächen später mit Lötpaste 
versehen?

Und dann würde ich gerne die weitere Kühlflächen weit über die Platine 
ziehen, jedoch diese "erweiterten Flächen" nicht in der Lib definieren.
Wie bekomme ich diese später verbunden? Außerhalb der Lib könnte ich ja 
ein "Net" anlegen, welches ich jedoch innerhalb der Lib nicht finde.

Könnt ihr mir einige Tips bezüglich dieses Falls mit 
Layern/Vias/Kühlflächen/Verlöten geben?

Grüße Oekel

PS: Es wird ein Durchlaufofen verwendet

[Christian B. (luckyfu)]

nun, der flexibelste Weg (den ich auch in solchen Fällen handhabe) ist 
folgender:
Du erstellst das Footprint nach Herstellervorgabe (s. 30 im Datenblatt). 
Mehr nicht. Die dort gezeigten Flächen sind Pads, also mit Paste und 
Lötstoppfreistellung zu versehen. Wenn du jedoch soviele Löcher in ein 
Pad machst solltest du die Paste "rastern", da sie dir sonst in die 
Löcher gezogen wird und zur Verlötung ggf. nicht mehr genug vorhanden 
ist. (weniger ist hier also u.U. mehr)

Später im Layout erstellst du dann Polygone, welche du an die jeweiligen 
Netze anbindest. Für die Netze in Verbindung mit dem IC solltest du des 
Weiteren in den Designrules die Thermal Anbindung abschalten (direct 
connect wählen) denn eine, via Thermal angebundene Kühlfläche ist per se 
nutzlos.
Wenn du keine Kühlkörper zusätzlich verbaust dient das Kupfer in erster 
Linie dazu, die Wärme schnell zu spreizen, die Abstrahlung der Flächen 
ist mit der eines Kühlkörpers nicht zu vergleichen.

Je nach Einbausituation ist das aber evtl. auch alles gar nicht nötig. 
Wenn du nämlich auf der gegenüberliegenden Seite entsprechende 
Spreizflächen vorsiehst, die du dann mittels Gelpad direkt an einen 
Kühlkörper (oder das Gehäuse, wenn ausreichend) presst kannst du dir auf 
der Top Seite die großen Flächen sparen. (Natürlich nicht die direkt 
unter dem Chip)

p.s.: das ist kein Altium spezifisches Problem :)

[D a v i d K. (oekel)]

Christian B. schrieb:
Danke!

> Später im Layout erstellst du dann Polygone, welche du an die jeweiligen
> Netze anbindest. Für die Netze in Verbindung mit dem IC solltest du des

> p.s.: das ist kein Altium spezifisches Problem :)

Doch ich glaube an der Stelle ist es doch sehr programmabhänging, denn 
ich finde beim Erstellen der Lib keinen Einnstellung, wo ich dem Polygon 
für das Thermal ein Netz zuweisen kann.

> Weiteren in den Designrules die Thermal Anbindung abschalten (direct
> connect wählen) denn eine, via Thermal angebundene Kühlfläche ist per se
> nutzlos.
Diesen Part verstehe ich nicht, wo und unter welchen Bedingungen sollte 
das zu Tragen kommen? Evtl, wenn ich dem Polygon denselben namen wie 
einen der 30 Pads gebe? Wenn ja, was passiert dann genau durch dieses 
Flag?

Habe ich in den *.PcbLib überhaupt eine Möglichkeit "Net" zu verwalten 
und zuzuweisen?

Grüße Oekel

[6a66 (Gast)]

D a v i d K. schrieb:
> Doch ich glaube an der Stelle ist es doch sehr programmabhänging, denn
> ich finde beim Erstellen der Lib keinen Einnstellung, wo ich dem Polygon
> für das Thermal ein Netz zuweisen kann.

Nein, das ist doch einfach lösbar. Du gibst dem ThermalPad sowohl in der 
Schematic Lib als auch in der Footprint Lib einen Designator (pinnummer) 
und bezeichnest den z.B. mit "Thermal" als Pin 0. Musst Du nur 
Pin0/Thermal anschließen - Voila.

Geht aber auch im PCB recht einfach. Nur das Pad anwählen (Doppelclick) 
und unter Properties ein Netz zuweisen.

rgds

[Christian B. (luckyfu)]

Ok, ich hole etwas weiter aus:

Du musst natürlich zu dem Bauteil ein konsistentes Schematic Symbol 
haben, wo die Thermalflächen (pads) mit den entsprechenden Netzen 
verbunden werden können.

Die Netzzuweisung erfolgt also nicht bereits in der Bibliothek (so wie 
du es vorhast) sondern erst im Schaltplaneditor. (Ansonsten müsstest du 
im schlimmsten Fall ja für jedes Desgin das Bauteil neu anlegen -> 
Vollkkommen unsinnig)
Sodann ist die Zuweisung automatisch auch im PCB. Und dann ist es 
einfaches, dem entsprechenden Polygon den gleichen Netznamen zuzuweisen.

[Ich (Gast)]

Ich denke folgendes Video wird helfen:
http://www.altium.com/video-creating-custom-pad-shapes

[D a v i d K. (oekel)]

Danke damit wäre die ursprüngliche Frage beantwortet!

Aber da ich euch gerade am Haken habe, zwei Nachfragen.

Christian B. schrieb:

Diesen Block kann ich mir immer noch nicht erklären:
> Weiteren in den Designrules die Thermal Anbindung abschalten (direct
> connect wählen) denn eine, via Thermal angebundene Kühlfläche ist per se
> nutzlos.

> Wenn du keine Kühlkörper zusätzlich verbaust dient das Kupfer in erster
> Linie dazu, die Wärme schnell zu spreizen, die Abstrahlung der Flächen
> ist mit der eines Kühlkörpers nicht zu vergleichen.

Auf Seite 6 von https://www.pololu.com/file/0J51/vnh3sp30.pdf
"Figure 2. Configuration diagram (top view)" sind die Kühlflächen ja mit 
Pin 1,15,16,30 "verbunden". Muss ich mir das so vorstellen, dass dort 
noch eine wärmeleitende  Isolierschicht enhalten ist, oder könnte ich 
die Thermals auch zum verbinden mit Wires verwerden (oder ist dies 
möglich jedoch schnlechter Designstil?)


Auf Seite 25 von https://www.pololu.com/file/0J51/vnh3sp30.pdf
"Figure 38. MultiPowerSO-30™ PC board" würde ich für meinen 220W Motor 
bei 24V die 16cm² anstreben.

Und wie muss ich das Diagramm "Figure 40. Auto and mutual Rthj-amb vs 
PCB copper area in open box free air
condition" bzw. seine Überschrift (free air) verstehen?
Ist der Chip unter der Vorausetzung, dass ich 16cm² schaffe für 
Spitzenlasten von 30A OHNE Kühler ausgelegt? In meinen Fall wären es ja 
ca. 9A, jedoch tue ich mich sehr schwer die Peaks zu erraten.
(Anlauf bei blockiertem Motor messen??)

Grüße Oekel

[Christian B. (luckyfu)]

D a v i d K. schrieb:
> Auf Seite 6 von https://www.pololu.com/file/0J51/vnh3sp30.pdf
> "Figure 2. Configuration diagram (top view)" sind die Kühlflächen ja mit
> Pin 1,15,16,30 "verbunden". Muss ich mir das so vorstellen, dass dort
> noch eine wärmeleitende  Isolierschicht enhalten ist, oder könnte ich
> die Thermals auch zum verbinden mit Wires verwerden (oder ist dies
> möglich jedoch schnlechter Designstil?)

Nein, das bedeutet nur, daß diese Flächen das selbe Potential haben, du 
kannst sie auf der LP ebenfalls so verbinden, musst das aber nicht tun.

D a v i d K. schrieb:
> Und wie muss ich das Diagramm "Figure 40. Auto and mutual Rthj-amb vs
> PCB copper area in open box free air
> condition" bzw. seine Überschrift (free air) verstehen?

free air meint, daß das Board ohne irgendwo eingebaut zu sein (oder mit 
entsprechend viel Platz) betrieben wird. Die Kühlwirkung ist dann bei 
vertikaler Platinenausrichtung höher, da die Konvektion besser ist 
(warme Luft steigt auf und Kalte kann problemlos von unten nachströmen, 
bei horizontaler Ausrichtung ist dem nicht so.)


>> Wenn du keine Kühlkörper zusätzlich verbaust dient das Kupfer in erster
>> Linie dazu, die Wärme schnell zu spreizen, die Abstrahlung der Flächen
>> ist mit der eines Kühlkörpers nicht zu vergleichen.
Ganz einfach: Die Kühlwirkung ist abhängig von der Fläche die dem 
Wärmeübergang in ein anderes Medium zur Verfügung steht (und von anderen 
Faktoren, wie der Wärmekapazität des Mediums, der 
Strömungsgeschwindigkeit usw.) Die Fläche ist naturgemäß auf der Platine 
recht klein (im Gegensatz zu einem Stranggepressten oder gar gefrästen 
Kühlkörper) und dann zumeisst noch mit Lötstopplack belegt, sodaß noch 
eine dünne Isolierschicht zwischen Kupfer und Luft liegt.


>> Weiteren in den Designrules die Thermal Anbindung abschalten (direct
>> connect wählen) denn eine, via Thermal angebundene Kühlfläche ist per se
>> nutzlos.
Was verstehst du daran nicht? Wie du das thermal bei der Anbindung 
verhinderst oder warum es per se nutzlos ist eine Kühlfläche über ein 
Thermal anzubinden?
Ersteres ist in den Designrules bei Polygon pour style (oder so ähnlich, 
hab ich jetzt nicht komplett im Kopf und Altium schon aus) zu finden, 
dort gibt es einen Polygon connect style der standardmäßig auf 4 
Speichen steht. Den setzt du auf direct connect (ist für Vias z.B. 
nahezu immer Sinnvoll, bei Thermal Vias zwingend).
Wenns die Frage ist, warum ein Thermal Anschluss an eine Kühlfläche 
nutzlos ist: Die Kühlwirkung besteht ja aus 2 unterschiedlichen 
Vorgängen: der Temperaturverteilung und der Abstrahlung sowie Abgabe 
durch Konvektion. Letzterem ist das Thermal egal aber der 
Temperaturspreizung nicht. Dieser Vorgang lebt davon, so viel wie 
möglich thermisch gut leitfähiges Material im Weg zu haben um sich 
möglichst schnell ausbreiten zu können. Eine Profilverjüngung ist hier 
einem Widerstand gleichzusetzen. (Das ist ja auch der Sinn der Sache, da 
man sonst THT Bauteile aus Mehrlagigen Platinen kaum bis gar nicht mehr 
ausgelötet bekommt) bei SMD ist die Notwendigkeit Thermals zu benutzen 
nicht immer gegeben. Bei kleinen Bauteilen wie Widerstäbnden z.B. muss 
man auf eine möglichst gleichmäßige Erwärmung beider Pads achten, da es 
sonst zum Grabsteineffekt kommen kann. Dafür sind Thermals notwendig, 
bei Leistungshalbleitern jedoch, die über die Platinenfläche gekühlt 
werden sollen ist es sinnlos Thermals zu verwenden. Ich hab einmal einen 
Aufbau gesehen, wo ein Power Mosfet mit Thermals an eine große, ihn 
umgebende Plane angebunden war und zu allem Überfluss diese Plane auch 
noch jede Menge thermal Vias hatte. Nur nützt es nichts, wenn ich so für 
eine große Kühlfläche sorge während ich gleichzeitig das zu kühlende 
Bauteil mit einem Thermal von dieser entkopple. Was sowas soll ist mir 
schleierhaft. (Bei derartigen Bauteilen ist ein Grabsteineffekt nat. 
nicht zu befürchten. Aber es kann passieren, daß die Lötstelle unter dem 
Kühlpad nicht richtig ausgebildet ist, wenn die Platine nicht 
entsprechend gut vorgeheizt wurde. d.h. der Bestücker muss hier ggf. an 
den Parametern drehen. Aber ich entwickle eine Schaltung idR für einen 
Zweck. Wenn dieser eine Kühlung vorsieht muss sich der Bestücker etwas 
einfallen lassen. Bisher gab es da auch noch nie wirkliche Probleme.