Este artículo discutirá las prácticas de diseño que aseguran una mejor gestión térmica, incluidos algunos métodos comunes para eliminar el exceso de calor de una PCB.
La mayoría de los componentes electrónicos disipan el calor cada vez que una corriente fluye a través de ellos. La cantidad de calor depende de la potencia, las características del dispositivo y el diseño del circuito. Además de los componentes, la resistencia de las conexiones eléctricas, las trazas de cobre y las vías contribuyen a un poco de calor y pérdidas de energía.
Para evitar fallas o fallas en el circuito, los diseñadores deben aspirar a producir PCB que funcionen y se mantengan dentro de los límites de temperatura seguros. Si bien algunos circuitos funcionarán sin enfriamiento adicional, hay situaciones en las que es inevitable agregar disipadores de calor, ventiladores de enfriamiento o una combinación de varios mecanismos.
Este artículo discutirá las prácticas de diseño que aseguran una mejor gestión térmica, incluidos algunos métodos comunes para eliminar el exceso de calor de una PCB.
Los principales problemas a considerar durante el diseño son:
Una práctica recomendada es administrar la temperatura a nivel de componente y sistema mientras se considera el entorno operativo. Los factores a considerar al decidir sobre un mecanismo de enfriamiento incluyen las propiedades del paquete del semiconductor, las propiedades de disipación de calor, etc. Esta información generalmente está disponible en la hoja de datos del fabricante.
El enfriamiento por convección natural es adecuado para PCB con pequeñas cantidades de disipación de calor. Sin embargo, los PCB con exceso de calor requieren disipadores de calor, tuberías de calor, ventiladores, cobre grueso o una combinación de varias técnicas de enfriamiento.
Una baja resistencia térmica asegura que el calor se transfiera a través del material mucho más rápido. Esta resistencia es directamente proporcional a la longitud de la ruta térmica e inversamente proporcional al área de la sección transversal y la conductividad térmica de la ruta térmica.
Resistencia termica [theta = frac {t}{A times K}]
Dónde
Los diseñadores a menudo reducen la resistencia térmica al:
Es importante comprender qué componentes generan más calor y decidir cuál es el mejor mecanismo de eliminación. Utilizando la hoja de datos del fabricante, un diseñador debe averiguar la clasificación térmica y las características del dispositivo. Muy a menudo, los fabricantes proporcionarán pautas sobre cómo eliminar el exceso de calor.
Los componentes que disipan más energía deben ubicarse en áreas que proporcionen la mejor eliminación de calor. Esto no debe estar en las esquinas o bordes de la PCB a menos que haya un disipador de calor. Colocar componentes en algún lugar cerca del medio asegura la disipación de calor alrededor del dispositivo, sin embargo, debe haber suficiente espacio para una circulación de aire adecuada.
Aunque puede ser difícil garantizar una distribución uniforme de la temperatura, es importante evitar concentrar los componentes de alta potencia. Distribuirlos de manera uniforme previene los puntos calientes.
Otra buena práctica es colocar componentes sensibles como pequeños circuitos integrados, transistores y condensadores electrolíticos en áreas de baja temperatura. En los circuitos que dependen del enfriamiento por convección, la disposición de componentes como los circuitos integrados de manera horizontal o vertical a largo plazo ayuda en la gestión térmica.
Los diseñadores pueden usar una amplia gama de técnicas para identificar posibles problemas. Los enfoques populares incluyen el uso de herramientas de análisis térmico, inspecciones visuales y cámaras infrarrojas.
La realización de un análisis térmico establece cómo se comportarán los componentes y la PCB a diferentes temperaturas y condiciones. El análisis proporciona a los diseñadores una idea de la generación y transferencia de calor dentro del circuito.
Los diseñadores pueden usar los resultados de análisis y simulaciones para idear técnicas que los ayudarán a manejar mejor el calor.
Análisis térmico de PCB. Imagen cortesía de PADS
La inspección visual es una manera fácil de encontrar signos de sobrecalentamiento, componentes quemados o parcialmente dañados, juntas secas, arcos, etc. Algunos de los signos visibles incluyen componentes abultados, componentes quemados y manchas descoloridas en la PCB. Además del análisis visual, un olor del tablero también puede indicar problemas de calentamiento.
Los ingenieros de prueba pueden usar cámaras IR para evaluar prototipos de placas con motor para detectar problemas de calor e identificar problemas invisibles a simple vista. Además de mostrar áreas donde hay un exceso de calor, las cámaras a veces pueden identificar piezas falsificadas o defectuosas cuyas firmas térmicas difieren de las de los componentes originales.
Las cámaras termográficas también pueden detectar la ubicación donde las pistas tienen una soldadura insuficiente, por lo tanto, mayor resistencia y más disipación de calor.
Hay varias técnicas que los diseñadores pueden usar para eliminar el calor de los componentes y los PCB. Los mecanismos comunes incluyen disipadores de calor, ventiladores de enfriamiento, tuberías de calor y cobre grueso. Muy a menudo, los circuitos que generan más calor requieren más de una tecnología. Por ejemplo, enfriar un procesador de computadora portátil y chips de pantalla requiere un disipador de calor, un tubo de calor y un ventilador.
Un disipador de calor es una parte metálica termoconductora con una gran área de superficie, generalmente unida a componentes como transistores de potencia y dispositivos de conmutación. Un disipador de calor permite que el componente disipe su calor sobre un área más grande y transfiera ese calor a los alrededores. En algunos casos, como las fuentes de alimentación de alta corriente, agregar un ventilador de enfriamiento ayuda a una eliminación de calor más rápida y mejor.
Los tubos de calor son adecuados para dispositivos compactos con espacio limitado. Las tuberías proporcionan una transferencia de calor pasiva confiable y rentable. Los beneficios incluyen una operación libre de vibraciones, buena conductividad térmica, bajo mantenimiento y operación silenciosa ya que no tienen partes móviles.
Una tubería típica contiene pequeñas cantidades de nitrógeno, agua, acetona o amoníaco. Estos fluidos ayudan a absorber el calor, sobre el cual liberan un vapor que viaja a lo largo de la tubería. La tubería tiene un condensador donde, a medida que pasa el vapor, se condensa de nuevo a su forma líquida y el ciclo comienza nuevamente.
Las vías térmicas aumentan la masa y el área del cobre, reducen la resistencia térmica y mejoran la disipación de calor de los componentes críticos a través de la conducción. Como tal, se logra un mejor rendimiento cuando las vías se colocan más cerca de la fuente de calor.
En algunas aplicaciones, el calor de un dispositivo, como un CI optimizado térmicamente, se elimina mediante la combinación de una matriz térmica y una almohadilla. Esto elimina la necesidad de un disipador de calor al tiempo que mejora la disipación de calor a través de la PCB.
El uso de más cobre proporciona un área de superficie más grande que ayuda en la distribución y disipación del calor. Tales PCB son adecuados para aplicaciones de alta potencia.
Las técnicas de gestión térmica de PCB dependen de una serie de factores, incluida la cantidad de calor que disipan los componentes y el circuito, el entorno, el diseño general y el recinto. Si la generación de calor es baja, el circuito puede funcionar sin enfriamiento adicional. Sin embargo, si el circuito genera mayores cantidades de calor, debe haber un mecanismo de enfriamiento para eliminar el calor.
Para proporcionar PCBs térmicamente optimizados, los diseñadores deben considerar todo lo que influye en la temperatura desde la etapa conceptual y durante las etapas de diseño y fabricación.
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