Técnicas de disipación de calor

Cuando necesite crear placas de circuito impreso (PCB) para varios dispositivos y equipos, una de las principales consideraciones que querrá hacer es qué tan bien disipa el calor. Al disipar adecuadamente el calor en las PCB, puede protegerlas contra problemas de rendimiento y averías totales causadas por el exceso de temperatura. Cualquier placa de circuito impreso en la que invierta debe diseñarse con las características adecuadas de disipación de calor para garantizar que no se sobrecaliente y le proporcione un rendimiento uniforme.

Obtenga más información sobre por qué el calor es un problema y algunos consejos para la disipación de calor de PCB.

Por qué el calor es un problema en las PCB

Cada vez que fluye una corriente a través de los componentes electrónicos, la carga térmica aumenta. La cantidad de calor que produce el componente electrónico variará según el diseño del circuito, la cantidad de energía y las características del dispositivo. A menudo encontrará que los componentes montados incorrectamente, los elementos externos, la ventilación inadecuada y el ensamblaje incorrecto hacen que las PCB se sobrecalienten.

Aunque los PCB pueden soportar algo de calor, las temperaturas excesivas pueden causar algunos problemas importantes. Algunos efectos negativos en los PCB por el exceso de calor incluyen la interrupción de las líneas del circuito, la oxidación de los componentes, la pérdida de integridad estructural y las tasas de expansión de materiales incompatibles. Estos efectos pueden hacer que disminuya el rendimiento de una PCB. Si la PCB se expone a demasiado calor durante un período prolongado, la PCB comenzará a funcionar mal e incluso puede fallar por completo, con daños permanentes en la PCB.

Técnicas de disipación de calor

Dado que el exceso de calor puede causar algunos problemas importantes, es probable que desee que su PCB tenga propiedades de disipación de calor. Cuando desee eliminar el calor de sus PCB, puede confiar en algunas técnicas diferentes de disipación de calor. Por ejemplo, agregar disipadores de calor y ventiladores de refrigeración puede ser una forma excelente de disipar el calor.

Obtenga más información sobre cómo disipar el calor en las PCB revisando algunas de las técnicas principales a continuación:

1. Agregue ventiladores de refrigeración y disipadores de calor

Los disipadores de calor son piezas metálicas termoconductoras que presentan una gran superficie y los diseñadores de PCB suelen utilizarlas para disipar el calor. Por lo general, estas partes están unidas a componentes que producen calor, como dispositivos de conmutación. Una vez conectado, un disipador de calor permitirá que el componente transfiera calor a otras áreas y lo disipe sobre la gran superficie del disipador de calor.

Además de emplear disipadores de calor en sus PCB y otros componentes de su dispositivo, puede agregar ventiladores de refrigeración. Estos ventiladores agregan una corriente de aire frío a su dispositivo para eliminar rápidamente el calor y evitar que se acumule. Por lo general, los ventiladores de enfriamiento se usan para fuentes de alimentación de alta corriente, ya que ayudan a eliminar el calor de manera más eficiente y rápida.

2. Utiliza trazas de cobre gruesas

Cuando necesita una placa de circuito impreso para aplicaciones de alta potencia, la opción correcta suele ser agregar trazas de cobre gruesas y pesadas. Al utilizar trazas de cobre gruesas, el calor tendrá una superficie más grande para la distribución y disipación del calor.

3. Invierta en tubos de calor

Si tiene una placa de circuito impreso instalada en un dispositivo compacto con una cantidad limitada de espacio, las tuberías de calor pueden ayudar con la disipación de calor de la placa de circuito impreso. Estas tuberías ayudan a absorber el calor con fluidos, como pequeñas cantidades de amoníaco, agua, acetona o nitrógeno. Después de que el fluido absorba el calor, la tubería liberará vapor. Este vapor fluye por la tubería hasta que llega a un condensador, que luego condensa el vapor en forma líquida, lo que permite que la tubería realice un ciclo continuo.

Debido a la capacidad de una tubería de calor para transferir calor fácilmente, las empresas que buscan una transferencia pasiva rentable y confiable a menudo las eligen. Con estas tuberías instaladas, sus dispositivos tendrán una mejor conductividad térmica y no requerirán mucho mantenimiento. Estas tuberías también son muy silenciosas debido a que no tienen partes móviles y no tienen vibraciones.

4. Elija los materiales de tablero correctos

Otra técnica para una mejor disipación del calor es elegir los materiales de placa más adecuados para eliminar el calor. Algunos materiales de PCB no tienen las propiedades necesarias para hacer frente al calor extremo. Si sabe que su dispositivo estará expuesto a altas temperaturas, es esencial seleccionar materiales con propiedades de disipación de calor.

El uso de una base de poliimida suele ser una buena opción para la disipación de calor. Los PCB flexibles tienen materiales más delgados y flexibles que permiten una mayor relación superficie-volumen. Los PCB de aluminio, un tipo de placa con núcleo de metal, son otra elección excelente para la disipación de calor debido a su capa dieléctrica. Esta capa ayuda a absorber el calor y transferirlo a la capa de aluminio, donde el calor se dispersa de manera efectiva. Estos PCB de aluminio son beneficiosos para aplicaciones de alta potencia. Para proyectos de alta temperatura, las PCB de cobre brindan la mejor disipación de calor y conductividad térmica.

Una opción efectiva no metálica son los PCB cerámicos. Fabricadas normalmente con nitruro de aluminio o alúmina, las placas de circuito impreso de cerámica son adecuadas para aplicaciones que requieren alta resistencia al calor y conexiones de alta frecuencia. Además de una alta conductividad térmica, tienen un bajo coeficiente de expansión térmica, gran versatilidad y resistencia a la erosión química, por lo que funcionan bien en numerosos entornos.

5. Usar arreglos térmicos Via

Las matrices de vía térmica son otra excelente opción para la disipación de calor, lo que ayuda a aumentar el área y la masa del cobre. Al expandir la masa y el área del cobre, un dispositivo tendrá una resistencia térmica reducida. Los conjuntos de vía térmica también ofrecen una mayor disipación de calor para los componentes críticos porque permiten una mejor conducción. Debido a su capacidad para disipar el calor y reducir la resistencia térmica, las empresas a menudo utilizan conjuntos térmicos a través de matrices cerca de las fuentes de calor para lograr un mejor rendimiento.

Las matrices de vía térmica son populares para las empresas que buscan eliminar los disipadores de calor de su PCB. Las matrices de vía térmica se pueden combinar con una almohadilla en ciertas aplicaciones para alejar el calor de un dispositivo. Esta combinación mejora la disipación de calor de la PCB al mismo tiempo que elimina la necesidad de disipadores de calor.

6. Implementar la tecnología de monedas de cobre

Las monedas de cobre son pequeñas piezas de cobre incrustadas en la PCB. Por lo general, se colocan directamente debajo de un componente que genera mucho calor. Aprovechan la conductividad térmica superior del cobre para extraer el calor del componente directamente al disipador de calor. Las monedas de cobre son una excelente manera de disipar el calor y se usan comúnmente cuando tiene una pequeña cantidad de componentes que generan la mayor parte del calor.

Esta solución localizada viene en algunas formas diferentes, incluidas T-Coins, I-Coins y C-Coins, que usaría según la forma del área. Después del enrutamiento, la moneda se incrusta en una ranura de PCB y se lamina y metaliza para lograr una conexión estrecha.

7. Optimice el diseño de PCB

Cuando una empresa diseña una placa de circuito impreso, a menudo confiará en algunas de las mejores prácticas para garantizar que el diseño de la placa de circuito impreso disipe el calor de manera efectiva. Un par de prácticas incluyen colocar piezas sensibles a la temperatura en las regiones de menor temperatura de un dispositivo, como en la parte inferior, y evitar instalarlas encima de los dispositivos de calefacción. Los diseñadores también escalonarán múltiples partes colocadas en un plano horizontal para una mayor ventilación. Si una empresa desea realizar un mejor seguimiento de la temperatura de su PCB, colocará el termómetro en el área más caliente para obtener mediciones precisas.

Un excelente diseño de PCB garantizará que las fuentes de calor se instalen lo más lejos posible entre sí para evitar la acumulación excesiva de calor. Si una placa de circuito impreso tiene un ventilador de enfriamiento, también es una buena idea que los diseñadores coloquen componentes generadores de calor aguas abajo del ventilador de enfriamiento mientras instalan piezas que generan poco calor aguas arriba del ventilador. Los diseñadores expertos de PCB estudiarán la circulación de aire de la PCB y colocarán dispositivos que produzcan altas temperaturas en el área adecuada según el flujo de aire.

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