Los principios más completos del diseño térmico para PCB

Se estima que más de la mitad de los componentes electrónicos fallan debido a la alta tensión resultante del entorno térmico. En los últimos años, muchos dispositivos de circuitos integrados (IC) y tecnología de montaje en superficie (SMT) y productos electrónicos de gran escala e hiperescala comenzaron a adoptar direcciones de desarrollo hacia la miniaturización, la alta densidad y la alta confiabilidad. En consecuencia, los sistemas electrónicos exigen requisitos cada vez más altos de rendimiento térmico. Después de todo, nacido con la llegada de los productos electrónicos, la gestión térmica juega 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 PCB no cumple parcial o totalmente con los requisitos térmicos, los dispositivos electrónicos definitivamente sufrirán el riesgo de daños o incluso fallarán. La integridad en constante crecimiento de los módulos de circuito y las aplicaciones masivas de circuitos integrados y módulos de chips múltiples (MCM) contribuyen a la mejora de la densidad de ensamblaje de componentes que, a partir de entonces, conduce a una mayor densidad de flujo de calor en las PCB. Los PCB de alta calidad no solo se derivan de un diseño y enrutamiento precisos y racionales, sino que también se basan en una alta confiabilidad térmica para una operación segura. Por lo tanto, es de gran importancia implementar reglas y análisis integrales de disipación térmica en PCB. Este artículo comienza con los principios de diseño térmico de puesta en marcha y presenta reglas de diseño térmico fáciles de usar para que los diseñadores electrónicos las apliquen 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 de la zona de alta temperatura a la zona de baja temperatura. La transferencia de calor se puede lograr a través de la conducción de calor, la convección de calor y la radiación de calor.

La fórmula de transferencia de calor se muestra como:φ=KAΔt, en la que φ representa la cantidad de transmisión de calor cuya unidad es W, K representa el coeficiente de transmisión de calor cuya unidad es W/(m ² x K), A representa el área de transmisión de calor cuya unidad es m ² y Δt representa la diferencia de temperatura entre el fluido térmico y el fluido frío cuya unidad es K.

El diseño térmico de PCB se define como el proceso en el que la resistencia térmica de la fuente de calor al espacio de consumo de calor se reduce al mínimo a través de medidas de enfriamiento por atributos de transmisión térmica o la densidad del fluido térmico se controla para que esté dentro de un rango aceptable. Para garantizar su confiabilidad, se deben tomar medidas de diseño térmico válidas desde las siguientes perspectivas, que incluyen:
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 forzado. Hace que el aire de enfriamiento fluya a través de dispositivos o componentes electrónicos, transfiriendo el calor de la fuente de calor al disipador de calor a través del ventilador o del aire ram.
c. Refrigeración por fluidos. Existen dos métodos de refrigeración por fluido:
1). El enfriamiento directo por fluido se refiere al proceso durante el cual los componentes se sumergen directamente en el fluido refrigerante.
2). El enfriamiento indirecto por fluido se refiere al proceso durante el cual los componentes no están directamente en contacto con el fluido refrigerante. Sin embargo, el enfriamiento se realiza mediante intercambiador de calor o placa fría.
d. Refrigeración por evaporación. Actualmente, es el método de conducción de calor más eficaz. La transmisión térmica se obtiene por ebullición del medio refrigerante.
e. Otro tipo de medidas de refrigeración:termotubo, placa fría, refrigeración termoeléctrica.

En el proceso de gestión térmica, se pueden realizar las medidas de diseño térmico adecuadas de acuerdo con las condiciones prácticas, como el entorno operativo práctico (temperatura, humedad, presión atmosférica, polvo, etc.), la densidad del fluido térmico a bordo, la densidad del volumen de energía y el consumo total de energía. , área de superficie, volumen, disipador de calor y otras condiciones especiales, para garantizar la distribución uniforme de la temperatura y un aumento de temperatura razonable dentro del valor limitado 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, para evitar o reducir la variación de temperatura de los parámetros eléctricos, para disminuir la tasa básica de fallas de los componentes, y hacer que la temperatura en el entorno de operación no supere la temperatura máxima permitida. Este artículo describe las reglas de diseño térmico de PCB en 3 perspectivas:la utilización de componentes en PCB, el diseño térmico de PCB, el ensamblaje de componentes y el diseño de PCB.

una. Utilización de Componentes Electrónicos

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

La temperatura es el primer elemento que afecta el rendimiento de los componentes y la tasa de fallas. La temperatura de trabajo y el consumo de energía más altos permitidos deben determinarse de acuerdo con el nivel requerido de confiabilidad y la tasa de falla distribuida de cada componente. La Tabla 1 muestra los valores de la temperatura superficial máxima permitida de los componentes desde la perspectiva de la confiabilidad en el diseño térmico.

Componentes	Máx. Temperatura de superficie/°C	Componentes	Máx. Temperatura de superficie/°C
Transformador, estrangulador	95	Condensador cerámico	80-85
Resistencia de película metálica	100	Condensador cerámico de vidrio	200
Resistencia de película de carbono	120	Transistor de silicio	150-200
resistencia de película de paladio	200	Transistor de germanio	70-90
Resistencia enrollada de alambre prensado	150	Tubo de vacío	15-200
Resistencia impresa	85	Paquete plano completamente sellado CMOS	125
Resistencia enrollada de alambre para pintar	225	DIP de cerámica, DIP de porcelana negra	/
Condensador de papel	75-85	INMERSIÓN de plástico CMOS	85
Condensador de película	60-130	IC de pequeña escala TTL	25-125
Condensador de mica	70-120	CI de escala media TTL	70-85

2). ¿Cómo controlar la temperatura de unión de los componentes?

La temperatura de unión de los componentes depende de su propio consumo de energía, resistencia térmica y temperatura ambiente. Por lo tanto, las medidas para controlar la temperatura de la unión dentro de un rango permitido incluyen:
• Los componentes con baja resistencia térmica interna se detectan.
• La reducción de potencia se usa para disminuir el aumento de temperatura.
• Los circuitos, especialmente aquellos que contienen componentes de potencia, deben depender de un diseño térmico elaborado para la confiabilidad con las pautas descritas en el manual estándar conforme.

3). ¿Cómo diseñar la reducción de potencia cuando se utilizan componentes?

Según las necesidades, el diseño de reducción de potencia se puede implementar en el uso práctico para que los componentes funcionen en condiciones por debajo del parámetro nominal (potencia, voltaje, corriente) para que el aumento de temperatura y la tasa de falla se reduzcan drásticamente.

b. Reglas de diseño térmico de PCB

El montaje vertical de PCB es beneficioso para la disipación de calor y la distancia entre placas debe mantenerse al menos 20 mm. Las reglas de diseño térmico de la placa incluyen:
1). El material con capacidad de resistencia a altas temperaturas y alto parámetro de conducción se recoge como material de sustrato de PCB. Cuando se trata de circuitos con alta potencia y densidad, la base de aluminio y la cerámica se pueden usar como material 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 cantidad en esta página para obtener una cotización de PCB con base de aluminio y 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 circuitos, es mejor usar placas que disipen el calor. La placa de núcleo metálico se puede aplicar en PCB multicapa para obtener una excelente disipación de calor entre la placa, los dispositivos de soporte y los dispositivos de disipación de calor. Si es necesario, se puede usar un revestimiento protector y un material de encapsulación para acelerar la transmisión térmica a 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 aumentar el rendimiento antiinterferente de las PCB.
5). Para mejorar la capacidad de disipación térmica de los PCB, se debe aumentar el grosor de la hoja de metal y el conductor interno debe usar una hoja de metal con un área grande. Además, el ancho de las líneas de tierra debe aumentarse correctamente porque las líneas de tierra con un área grande son capaces de aumentar la capacidad antiinterferente y disipar la capacidad de calor.

C. Ensamblaje de componentes y diseño de PCB

La disposición de los componentes es bastante esencial para el rendimiento térmico de las PCB, especialmente aquellas que se colocan verticalmente. La dirección del ensamblaje de los componentes debe ajustarse a las características de flujo del refrigerante para proporcionar el refrigerante con la menor resistencia. Las reglas que se aplican a los componentes en términos de ensamblaje y diseño incluyen:

1). Para los productos con método de enfriamiento por aire de convección libre, es mejor colocar los circuitos integrados u otros componentes en disposición longitudinal como el ejemplo que se muestra en la Figura 2 a continuación. Para los productos con método de enfriamiento por aire forzado, es mejor colocar los circuitos integrados u otros componentes en una disposición alargada como se muestra en el ejemplo de la Figura 3 a continuación.

2). Los componentes en el mismo PCB deben clasificarse y colocarse de acuerdo con su productividad de calor y nivel de disipación de calor. Los componentes con baja productividad de calor o baja resistencia al calor (transistor de señal pequeña, circuito integrado de pequeña escala, condensador electrolítico, etc.) deben colocarse aguas arriba (entrada) mientras que los componentes con alta productividad de calor o alta resistencia al calor (transistor de frecuencia, hiperescala). IC, etc.) deben colocarse aguas abajo. En la periferia de los amplificadores de pequeña señal se deben colocar componentes con una pequeña variación de temperatura y los capacitores de medio líquido deben estar lejos de la fuente de calor.
3). En la dirección horizontal, los componentes con alta frecuencia deben colocarse junto al borde de las PCB para minimizar la ruta de transmisión de calor. En la dirección vertical, los componentes con alta frecuencia deben colocarse cerca de la parte superior de los PCB para disminuir su influencia en la temperatura de otros componentes.
4). Los componentes que son sensibles a la temperatura deben colocarse en el área con la temperatura más baja, como la parte inferior de un producto. No deben colocarse justo encima de los componentes que generan calor y deben colocarse lejos de los componentes que generan calor o estar aislados de ellos.
5). Los componentes con el mayor consumo de energía y generación de calor deben colocarse junto al mejor lugar para la disipación de calor. Nunca coloque componentes con alta temperatura en la esquina o el borde a menos que haya radiadores alrededor de ellos. Al organizar las resistencias de potencia, se deben recoger componentes relativamente grandes y se les debe dejar suficiente espacio de disipación de calor en el proceso de diseño de PCB.
6). La energía debe distribuirse uniformemente en los 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 áreas con una potencia extremadamente alta en caso de que los puntos sobrecalentados interrumpan el funcionamiento normal de todo el circuito.
7). En el proceso de diseño de PCB, la ruta del flujo de aire debe tenerse en cuenta y los componentes deben organizarse razonablemente. El aire tiende a fluir hacia el lugar con poca resistencia, por lo que se debe evitar un espacio de aire relativamente grande al colocar los componentes en las PCB.
8). La tecnología de ensamblaje térmico debe aplicarse 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 circuitos integrados y los microprocesadores se transmite a las placas de circuito impreso a través de sus propios cables, cuyos orificios de montaje deben utilizar orificios de revestimiento metálico. Estos componentes también se pueden montar directamente en una barra o tablero 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 componentes con alta disipación de calor y PCB. Para cumplir con el requisito de los atributos de calor, se pueden usar algunos materiales conductores de calor debajo del chip y se debe mantener la disipación de calor de los componentes en el área de contacto.
10). Los pines de los componentes deben acortarse en la conexión de componentes y PCB. Al seleccionar componentes con alto consumo de energía, se debe considerar la conductividad del material de plomo. Si es posible, elija componentes cuyos conductores tengan una sección transversal más grande y que tengan la mayor cantidad de pines.

d. Otro requisito
1). Paquete de componentes:el tipo de paquete de componentes y la tasa de conducción de calor deben considerarse en el diseño térmico de PCB. Se puede proporcionar una ruta de conducción de calor entre el sustrato y el paquete del componente y se debe evitar la rotura de aire en la ruta de conducción de calor.
2). Método de la técnica:se puede causar una temperatura alta local en las áreas con componentes en ambos lados del tablero. Para cambiar la condición de disipación de calor, se puede agregar un poco de cobre fino en la pasta de soldar para que los puntos de soldadura se eleven a cierta altura debajo de los componentes. Se aumenta el espacio aéreo entre los componentes y la PCB para mejorar la convección térmica.
3). Orificios de disipación de calor:algunos orificios de disipación de calor y orificios ciegos se pueden colocar en las PCB para aumentar efectivamente el área de disipación de calor, disminuir la resistencia térmica y aumentar la densidad de potencia de las PCB.

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, que se refieren al proceso de simplificación de módulos, establecimiento de módulos matemáticos, resolución de ecuaciones no lineales, creación y ajuste de procedimientos analíticos y cálculo, medida y test de parámetros térmicos.

Como 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 módulo térmico de los componentes y establecer los parámetros de control de simulación de acuerdo con la estructura y la materia prima de los PCB, el tipo de paquete de los componentes y el entorno operativo de PCB para estimar los valores de los comportamientos térmicos de los PCB. El análisis térmico debe llevarse a cabo en la fase de concepto antes del diseño y durante todo el proceso de diseño de PCB.

Los valores de la temperatura de los componentes, la temperatura de la placa y la temperatura del flujo de aire se pueden obtener 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.

Según el resultado del análisis térmico, los problemas térmicos de la PCB se pueden detectar rápidamente y se pueden tomar medidas oportunas y se pueden eliminar las áreas densas de alta temperatura, lo que determinará la ruta de conducción de calor, optimizará las posiciones de los componentes clave, la forma de radiador y tamaño para aprovechar al máximo la tasa de disipación de calor, aumentar la eficiencia de transmisión de calor de los orificios de disipación de calor y los radiadores y determinar el espacio entre las placas y los componentes de las placas.

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