Los principios más completos de diseño térmico para PCBs

Se estima que más de la mitad de los componentes electrónicos fallan debido al alto estrés resultante del entorno térmico. En los últimos años se ha observado un amplio uso de dispositivos con circuitos integrados (IC) a gran escala e hiperescalados y de la tecnología de montaje en superficie (SMT), y los productos electrónicos han empezado a adoptar direcciones de desarrollo orientadas a la miniaturización, alta densidad y alta fiabilidad. En consecuencia, los sistemas electrónicos exigen requisitos cada vez más altos en cuanto al rendimiento térmico. Al fin y al cabo, nacida con la aparición de los productos electrónicos, la gestión térmica desempeña un papel fundamental en la determinación del rendimiento y las funciones de los sistemas electrónicos.

Como columna vertebral de los dispositivos electrónicos, el diseño racional de las PCB (Placas de Circuito Impreso) garantiza su alto rendimiento. Si el diseño de la PCB no cumple parcial o totalmente con los requisitos térmicos, los dispositivos electrónicos sin duda sufrirán riesgo de daño o incluso fallos. El crecimiento constante de la integración de los módulos de circuito y las amplias aplicaciones de los CI y de los módulos multichip (MCM) contribuyen a la mejora de la densidad de ensamblaje de componentes, lo que a su vez conduce a una mayor densidad de flujo de calor en las PCB. Las PCB de alta calidad no solo derivan de una distribución y un ruteo precisos y racionales, sino que también dependen de una alta fiabilidad térmica para un funcionamiento seguro. Por lo tanto, es de gran importancia aplicar reglas y análisis integrales de disipación térmica en las PCB. Este artículo comienza con los principios de diseño térmico inicial y presenta reglas de diseño térmico fáciles de usar para que los diseñadores electrónicos las apliquen cómodamente en su trabajo.

Principios básicos del diseño térmico

El diseño térmico se basa en la teoría básica de la transferencia de calor y la mecánica de fluidos. Donde hay diferencia de temperatura, hay transferencia de calor desde la zona de alta temperatura hacia la zona de baja temperatura. La transferencia de calor puede lograrse mediante conducción, convección y radiación térmica.

La fórmula de la transferencia de calor se muestra como:φ=KAΔt, en el queφrepresenta la cantidad de transmisión de calor cuya unidad esW,Krepresenta el coeficiente de transmisión de calor cuya unidad esW/(m²x K),Arepresenta el área de transmisión de calor cuya unidad es m²yΔtrepresenta la diferencia de temperatura entre el fluido térmico y el fluido frío cuya unidad esK.

El diseño térmico de las PCB se define como el proceso en el cual la resistencia térmica desde la fuente de calor hasta el espacio de disipación de calor se reduce al mínimo mediante medidas de refrigeración, aprovechando las propiedades de transmisión térmica, o se controla la densidad del fluido térmico para que se mantenga dentro de un rango aceptable. Para garantizar su fiabilidad, deben adoptarse medidas de diseño térmico eficaces desde las siguientes perspectivas, incluyendo:
a.Refrigeración natural, que conduce el calor sin fuerza externa. Incluye la conducción de calor, la transferencia de calor por radiación y la transferencia por convección natural.
b.Refrigeración por aire forzadoHace que el aire de refrigeración circule a través de dispositivos o componentes electrónicos, transfiriendo el calor desde la fuente de calor al disipador mediante un ventilador o aire de ariete.
c.Refrigeración por fluido. Hay dos métodos de enfriamiento de fluidos:
1). La refrigeración directa por fluido se refiere al proceso durante el cual los componentes se sumergen directamente en el fluido refrigerante.
2). La refrigeración indirecta por fluido se refiere al proceso durante el cual los componentes no están en contacto directo con el fluido refrigerante. Sin embargo, la refrigeración se lleva a cabo mediante un intercambiador de calor o una placa fría.
d.Refrigeración por evaporaciónActualmente, es el método de conducción de calor más eficaz. La transmisión térmica se obtiene mediante la ebullición del medio de refrigeración.
e. Otros tipos de medidas de enfriamiento:termotubo,placa fría,refrigeración termoeléctrica.

En el proceso de gestión térmica, se pueden adoptar medidas de diseño térmico adecuadas según las condiciones prácticas, tales como el entorno operativo real (temperatura, humedad, presión atmosférica, polvo, etc.), la densidad del fluido térmico a bordo, la densidad volumétrica de potencia y el consumo total de energía, el área de superficie, el volumen, el disipador de calor y otras condiciones especiales, con el fin de garantizar una distribución uniforme de la temperatura y un aumento de temperatura razonable dentro del valor límite regulado.

Reglas de diseño térmico

El propósito general del diseño térmico es controlar la temperatura de todos los componentes electrónicos ensamblados en las placas de circuito dentro de los productos electrónicos, para garantizar la estabilidad del rendimiento eléctrico, evitar o reducir la deriva térmica de los parámetros eléctricos, disminuir la tasa básica de fallos de los componentes y lograr que la temperatura en el entorno de operación no supere la temperatura máxima permitida. Este artículo describe las reglas de diseño térmico de PCB desde 3 perspectivas: la utilización de componentes en las PCB, el diseño térmico de las PCB, el ensamblaje de componentes y la distribución (layout) de la PCB.

a.Utilización de componentes electrónicos

1). ¿Cómo controlar la temperatura de funcionamiento de los componentes?

La temperatura es el primer elemento que afecta el rendimiento de los componentes y la tasa de fallos. La temperatura máxima de funcionamiento permitida y el consumo de energía deben determinarse de acuerdo con el nivel de fiabilidad requerido y la tasa de fallos distribuida de cada componente. La Tabla 1 muestra los valores de la temperatura máxima de superficie permitida de los componentes desde la perspectiva de la fiabilidad en el diseño térmico.

2). ¿Cómo controlar la temperatura de unión del componente?

La temperatura de unión del componente depende de su propio consumo de energía, de la resistencia térmica y de la temperatura ambiente. Por lo tanto, las medidas para controlar la temperatura de unión dentro de un rango permitido incluyen:
• Se seleccionan componentes con baja resistencia térmica interna.
• La desclasificación se utiliza para disminuir el aumento de temperatura.
• Los circuitos, especialmente aquellos que contienen componentes de potencia, deben basarse en un diseño térmico elaborado para garantizar la fiabilidad, siguiendo las directrices descritas en el manual estándar correspondiente.

3). ¿Cómo diseñar la desclasificación cuando se utilizan componentes?

Según las necesidades, se puede implementar un diseño de desclasificación en el uso práctico para que los componentes funcionen en condiciones por debajo de los parámetros nominales (potencia, voltaje, corriente), de modo que el aumento de temperatura y la tasa de fallos se reduzcan drásticamente.

b.Reglas de diseño térmico de las PCB

El ensamblaje vertical de las PCB es beneficioso para la disipación de calor y la distancia entre las placas debe mantenerse en al menos 20 mm. Las reglas de diseño térmico de la placa incluyen:
1). Se selecciona como material de sustrato de las PCB un material con capacidad de resistencia a altas temperaturas y un alto parámetro de conducción. Cuando se trata de circuitos de alta potencia y alta densidad, se pueden utilizar aluminio y cerámica como materiales de sustrato debido a su baja resistencia térmica (PCBCart es totalmente capaz de fabricar PCB con esos materiales de sustrato. Puede enviar sus archivos de PCB junto con el requisito de cantidaden esta páginaparaCotización de PCB de base de aluminio y de base cerámica).
2). La estructura multicapa es una opción óptima para la disipación térmica de PCB.
3). Para mejorar la capacidad de conducción de calor de las placas de circuito, es mejor utilizar placas que disipen el calor. Se puede aplicar una placa con núcleo metálico enplacas de circuito impreso multicapapara obtener una excelente disipación de calor entre la placa, los dispositivos de soporte y los dispositivos de disipación de calor. Se puede utilizar un recubrimiento protector y material de encapsulado si es necesario para acelerar la transmisión térmica hacia los dispositivos de soporte o los dispositivos de disipación de calor.

4). Para aumentar la capacidad de disipación de calor de las PCB, se puede utilizar una barra colectora, que puede considerarse un excelente radiador y es capaz de incrementar el rendimiento antiinterferencias de las PCB.
5). Para mejorar la capacidad de disipación térmica de las PCB, se debe aumentar el grosor de la lámina metálica y el conductor interno debe utilizar una lámina metálica de gran área. Además, se debe incrementar adecuadamente el ancho de las líneas de tierra, ya que las líneas de tierra con gran área son capaces tanto de aumentar la capacidad de antiinterferencia como de mejorar la capacidad de disipación de calor.

c.Ensamblaje de componentes y diseño de PCB

Diseño de componenteses bastante esencial para el rendimiento térmico de las PCB, especialmente aquellas que se colocan verticalmente. La dirección de montaje de los componentes debe ajustarse a las características de flujo del refrigerante para ofrecerle la menor resistencia posible. Las reglas que se aplican a los componentes en términos de montaje y distribución incluyen:

1). Para los productos con método de refrigeración por aire de convección natural, es mejor disponer los CI u otros componentes en disposición longitudinal, como se muestra en el ejemplo de la Figura 2 a continuación. Para los productos con método de refrigeración por aire forzado, es mejor disponer los CI u otros componentes en disposición alargada, como se muestra en el ejemplo de la Figura 3 a continuación.

2). Los componentes en la misma PCB deben clasificarse y colocarse de acuerdo con su generación de calor y su nivel de disipación térmica. Los componentes con baja generación de calor o baja resistencia al calor (transistores de pequeña señal, circuitos integrados de pequeña escala, condensadores electrolíticos, etc.) deben colocarse en la parte de entrada (aguas arriba), mientras que los componentes con alta generación de calor o alta resistencia al calor (transistores de frecuencia, circuitos integrados de gran escala, etc.) deben colocarse en la parte de salida (aguas abajo). En la periferia de los amplificadores de pequeña señal se deben colocar componentes con poca deriva de temperatura y los condensadores con medio líquido deben situarse lejos de las fuentes de calor.
3). En la dirección horizontal, los componentes de alta frecuencia deben disponerse adyacentes al borde de las PCB para minimizar la trayectoria de transmisión de calor. En la dirección vertical, los componentes de alta frecuencia deben colocarse cerca de la parte superior de las PCB para disminuir su influencia en la temperatura de otros componentes.
4). Los componentes sensibles a la temperatura deben disponerse en la zona con la temperatura más baja, como la parte inferior de un producto. No deben colocarse justo encima de componentes que generen calor y deben situarse lejos de ellos o estar aislados de dichos componentes.
5). Los componentes con mayor consumo de energía y generación de calor deben disponerse junto al mejor lugar para la disipación térmica. Nunca coloque componentes de alta temperatura en la esquina o el borde a menos que se dispongan disipadores a su alrededor. Al colocar resistencias de potencia, se deben seleccionar componentes relativamente grandes y dejarles suficiente espacio para la disipación de calor durante el proceso de diseño del PCB.
6). La potencia debe distribuirse de manera uniforme en las PCB para mantener el equilibrio y la conformidad y evitar la concentración de puntos de calor. Es difícil lograr una uniformidad estricta, pero se deben evitar las zonas con potencia extremadamente alta, ya que los puntos sobrecalentados pueden interrumpir el funcionamiento normal de todo el circuito.
7). En el proceso de diseño de PCB, se debe tener plenamente en cuenta la trayectoria del flujo de aire y los componentes deben disponerse de manera razonable. El aire tiende a fluir hacia las zonas con menor resistencia, por lo que se debe evitar un espacio de aire relativamente grande al colocar los componentes en las PCB.
8). Se debe aplicar tecnología de ensamblaje térmico en las placas de circuito para lograr un efecto de transmisión de calor relativamente bueno. Más de la mitad del calor generado por componentes como los CI y los microprocesadores se transmite a las PCB a través de sus propios terminales, cuyos orificios de montaje deben utilizar orificios metalizados. Estos componentes también pueden montarse directamente sobre una varilla o placa de conducción térmica para reducir la resistencia térmica causada por los componentes.
9). La resistencia térmica debe reducirse tanto como sea posible en las conexiones entre los componentes con alta disipación de calor y las PCB. Para cumplir con los requisitos de las características térmicas, se pueden utilizar algunos materiales de conducción de calor debajo del chip y debe mantenerse la disipación de calor de los componentes en el área de contacto.
10). Los pines de los componentes deben acortarse en la conexión entre los componentes y las PCB. Al seleccionar componentes con alto consumo de energía, se debe considerar la conductividad del material de los terminales. Si es posible, elija componentes cuyos terminales tengan una sección transversal mayor y que tengan la mayor cantidad de pines.

d.Otros requisitos
1). Paquete de componentes: en el diseño térmico de PCB se deben considerar el tipo de paquete de componentes y la tasa de conducción de calor. Se puede proporcionar una ruta de conducción de calor entre el sustrato y el paquete de componentes, y se debe evitar la interrupción de aire en la ruta de conducción de calor.
2). Método técnico: se puede generar una alta temperatura local en las áreas con componentes en ambos lados de la placa. Para cambiar las condiciones de disipación de calor, se puede añadir algo de cobre fino a la pasta de soldadura de modo que los puntos de soldadura se eleven hasta cierta altura bajo los componentes. De esta manera se incrementa el espacio de aire entre los componentes y la PCB, mejorando así la convección térmica.
3). Orificios de disipación de calor: se pueden disponer algunos orificios de disipación de calor y orificios ciegos en las PCB para que el área de disipación de calor pueda incrementarse de manera efectiva, la resistencia térmica pueda disminuirse y la densidad de potencia de las PCB pueda aumentarse.

Análisis térmico

Basado en la transferencia de calor computacional, el análisis térmico, cuyos métodos de cálculo numérico incluyen principalmente el método de diferencias finitas, el método de elementos finitos y el método de elementos de contorno, se refiere al proceso de simplificación de modelos, establecimiento de modelos matemáticos, resolución de ecuaciones no lineales, elaboración y ajuste de procedimientos analíticos y de cálculo, así como la medición y prueba de parámetros térmicos.

Como un aspecto fundamental del diseño térmico, el análisis térmico es un método importante para evaluar la importancia del diseño térmico. El análisis térmico de PCB se refiere al proceso de establecer el modelo térmico de los componentes y configurar los parámetros de control de la simulación de acuerdo con la estructura ymateria prima de las PCB, tipo de encapsulado de los componentes y entorno de funcionamiento de la PCB para estimar los valores de los comportamientos térmicos de las PCBs. El análisis térmico debe llevarse a cabo en la fase de concepto antes del diseño del trazado y a lo largo de todo el proceso de diseño de la PCB.

Se pueden obtener valores de la temperatura de los componentes, la temperatura de la placa y la temperatura del flujo de aire a partir del análisis térmico, mostrando los atributos térmicos de las PCB en forma de imágenes en color, gráficos visuales de isotermas de temperatura o datos específicos.

Basándose en el resultado del análisis térmico, se pueden detectar rápidamente los problemas térmicos de la PCB y tomar oportunamente las medidas adecuadas para eliminar las zonas densas de alta temperatura, lo que permitirá determinar la ruta de conducción del calor, optimizar la posición de los componentes clave, así como la forma y el tamaño del disipador para aprovechar plenamente la tasa de disipación de calor, aumentar la eficiencia de transmisión térmica de los orificios de disipación y de los disipadores, y determinar el espacio entre las placas y los componentes en las placas.

PCCBart tiene una amplia experiencia en la fabricación de PCB con funciones avanzadas

El control térmico debe optimizarse para satisfacer las necesidades de rendimiento y fiabilidad de la electrónica actual, ya que los dispositivos son cada vez más pequeños y están más integrados. Se requiere un diseño de PCB eficaz con técnicas de refrigeración inteligentes y una adecuada disposición de los componentes para evitar que los dispositivos se sobrecalienten y para que los sistemas electrónicos puedan funcionar durante más tiempo. Con métodos sofisticados de diseño térmico, los ingenieros pueden ofrecer un funcionamiento fiable incluso bajo condiciones severas de estrés térmico, protegiendo los dispositivos frente a posibles fallos.

PCBCart, con años de experiencia en la fabricación de PCB, se especializa en la creación de placas de circuito de alto rendimiento con una excelente gestión térmica. Con clientes en todo el mundo, ofrecemos PCBs personalizados con tecnología de refrigeración de vanguardia adaptada a sus necesidades específicas. Nuestro enfoque en la calidad y la innovación garantiza que sus productos electrónicos funcionen de manera fiable incluso en condiciones extremas.

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