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Este artículo analiza las principales causas de las altas temperaturas en los PCB que causan fallas y daños a la placa en sí.

El exceso de calor en las placas de circuito impreso (PCB) puede ser el resultado de un diseño deficiente, una selección incorrecta de piezas y materiales, una ubicación incorrecta de los componentes y una gestión de calor ineficiente.

Las altas temperaturas resultantes afectan negativamente la funcionalidad, los componentes y la placa en sí. El efecto de temperaturas elevadas puede ser insignificante en muchas aplicaciones, pero en diseños de alto rendimiento, puede ser significativo.

Por lo tanto, la gestión adecuada del calor es un aspecto importante de la ingeniería eléctrica. Un enfoque integrado para la gestión del calor implica prestar atención a todo, desde el nivel de los componentes, hasta el sistema de placa física y el entorno operativo.

La creciente densidad de componentes en los circuitos electrónicos actuales puede contribuir a problemas térmicos. Además, los defectos de diseño de PCB y las técnicas de enfriamiento ineficaces pueden conducir a temperaturas inaceptablemente altas.

En este artículo, veremos algunas de las principales razones por las que los tableros se sobrecalientan.

Colocación incorrecta de componentes

Algunos dispositivos de alta potencia requieren ubicaciones con flujo de aire adecuado, ya sea natural o forzado, para transferir el calor. Como tal, estos deben colocarse en lugares donde haya respiraderos o buen flujo de aire.

Sin el flujo de aire adecuado y la eliminación del calor, la PCB mantendrá la mayor parte del calor y esto causará un aumento gradual de la temperatura, lo que provocará un rendimiento o daños deficiente del circuito. Además, tenga en cuenta que los componentes sensibles experimentarán estrés térmico si se colocan cerca de aquellos que emiten grandes cantidades de calor.

Un disipador térmico con un ventilador de refrigeración. Imagen utilizada por cortesía de Fischer Elektronik

Los componentes de alta potencia, como los transistores de potencia, pueden producir puntos calientes en una PCB. Pero con un disipador de calor adecuado y un enfriamiento natural o forzado, es posible mantener las temperaturas dentro de límites seguros.

Factores térmicos ambientales y externos

No tener en cuenta las condiciones en el entorno objetivo durante el diseño puede exponer los componentes a tensiones térmicas cuando el PCB se utiliza en áreas con temperaturas extremas.

Los fabricantes proporcionan especificaciones que son aplicables dentro de un cierto rango de temperatura. Por ejemplo, los valores de resistencia generalmente se indican para una temperatura de 20 ° C. Es importante tener en cuenta que los componentes como resistencias, condensadores y semiconductores tienen parámetros que cambian con la temperatura.

Consulte nuestra página en el libro de texto AAC para obtener información sobre el cálculo de la resistencia real de una resistencia a una temperatura determinada.

Además, los fabricantes a menudo proporcionan curvas de reducción térmica que especifican potencia o corriente segura en relación con cambios en parámetros tales como temperatura ambiente o flujo de aire.

Curvas de reducción de potencia para el módulo de potencia CSD87353Q5D, PCB montado verticalmente: imagen utilizada por cortesía de Texas Instruments

Selección incorrecta de componentes y materiales

El incumplimiento de las pautas recomendadas durante la selección de componentes puede provocar problemas térmicos. Es importante estudiar la hoja de datos y considerar toda la información relevante relacionada con la disipación de energía, la resistencia térmica, los límites de temperatura y las técnicas de enfriamiento.

Además, asegúrese de elegir una potencia nominal adecuada para la aplicación. Un error fácil de cometer es usar repetidamente la misma resistencia (quizás porque el componente correspondiente ya está en su biblioteca CAD), a pesar del hecho de que ciertas aplicaciones pueden requerir una clasificación de potencia más alta. Haga un cálculo rápido de potencia para sus resistencias y asegúrese de que la clasificación sea significativamente más alta que la disipación máxima esperada.

Otro tema importante es la selección del material dieléctrico de PCB. La placa de circuito impreso en sí misma debe ser capaz de soportar las peores condiciones térmicas.

Diseño y fabricación de PCB deficientes

El mal diseño y los procesos de fabricación pueden contribuir a los problemas térmicos de PCB. Una soldadura inadecuada puede impedir la disipación de calor, y un ancho de traza o área de cobre inadecuados pueden provocar aumentos de temperatura problemáticos.

Para obtener más información sobre las prácticas recomendadas de diseño de CPB, consulte algunos de nuestros otros recursos:

Conclusión

Para evitar problemas térmicos, los diseñadores deben reducir la disipación de calor y utilizar técnicas de eliminación adicionales cuando el enfriamiento natural es insuficiente. La producción de un diseño térmicamente optimizado requiere prestar atención a las especificaciones de los componentes, el diseño de la PCB, el material dieléctrico de la PCB y las condiciones ambientales.