Técnicas avanzadas de disipación de calor para un rendimiento fiable de PCB

Cuando necesita crear placas de circuito impreso (PCB) para diversos 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 fallos totales causados por temperaturas excesivas. Cualquier PCB en la que invierta debe diseñarse con características adecuadas de disipación de calor para asegurar que no se sobrecaliente y le proporcione un rendimiento consistente.

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

Por qué el calor es un problema en las PCB

Cada vez que una corriente fluye a través de componentes electrónicos, la carga térmica aumenta. La cantidad de calor que produce el componente electrónico variará según el diseño del circuito, la cantidad de potencia y las características del dispositivo. A menudo encontrará que componentes mal montados, elementos externos, ventilación inadecuada y montaje inadecuado causan sobrecalentamiento en las PCB.

Aunque las PCB pueden manejar algo de calor, las temperaturas excesivas pueden causar problemas importantes. Algunos efectos negativos en las PCB por exceso de calor incluyen interrupción de líneas de circuito, oxidación de componentes, pérdida de integridad estructural y tasas de expansión de materiales incompatibles. Estos efectos pueden causar que el rendimiento de una PCB decaiga. Si la PCB se expone a demasiado calor por un período prolongado, la PCB comenzará a fallar y puede incluso fallar completamente, con daño permanente en la PCB.

Técnicas de disipación de calor

Dado que el exceso de calor puede causar problemas significativos, probablemente querrá que su PCB tenga propiedades de disipación de calor. Cuando quiera remover calor de sus PCB, puede confiar en algunas técnicas diferentes de disipación de calor. Por ejemplo, añadir disipadores de calor y ventiladores de refrigeración puede ser una excelente manera de disipar el calor.

Aprenda más sobre cómo disipar calor en PCB revisando algunas técnicas principales a continuación:

1. Añadir ventiladores de refrigeración y disipadores de calor

Los disipadores de calor son piezas metálicas térmicamente conductoras que presentan una gran superficie, y los diseñadores de PCB comúnmente los usan para disipar calor. Generalmente, estas piezas se adjuntan a componentes que producen calor como dispositivos de conmutación. Una vez adjuntos, un disipador de calor permitirá que el componente transfiera calor a otras áreas y disipe el calor sobre la gran superficie del disipador.

Junto con el empleo de disipadores de calor en sus PCB y otros componentes en su dispositivo, puede añadir ventiladores de refrigeración. Estos ventiladores añaden una corriente de aire fresco a su dispositivo para remover rápidamente el calor y evitar que se acumule. Generalmente, los ventiladores de refrigeración se usan para fuentes de alimentación de alta corriente, ya que ayudan con una remoción de calor más eficiente y rápida.

2. Utilizar pistas de cobre gruesas

Cuando necesite una PCB para aplicaciones de alta potencia, añadir pistas de cobre gruesas y pesadas suele ser la opción correcta. Al utilizar pistas de cobre gruesas, el calor tendrá una superficie más grande para distribución y disipación de calor.

3. Invertir en heat pipes (tubos de calor)

Si tiene una PCB instalada en un dispositivo compacto con una cantidad limitada de espacio, los tubos de calor pueden ayudar con la disipación de calor en PCB. Estos tubos ayudan a absorber calor con fluidos, como pequeñas cantidades de amoníaco, agua, acetona o nitrógeno. Después de que el fluido absorbe el calor, el tubo liberará vapor. Este vapor fluye por el tubo hasta que llega a un condensador, que luego condensa el vapor en forma líquida, permitiendo que el tubo ciclé continuamente.

Debido a la capacidad de un tubo de calor para transferir calor fácilmente, las empresas que buscan una transferencia pasiva rentable y confiable a menudo los eligen. Con estos tubos instalados, sus dispositivos tendrán mejor conductividad térmica y no requerirán mucho mantenimiento. Estos tubos también son muy silenciosos debido a su falta de partes móviles, y están libres de vibraciones.

4. Elegir los materiales de placa adecuados

Otra técnica para una mejor disipación de calor es elegir materiales de placa más adecuados para remover calor. Algunos materiales de PCB no tienen las propiedades requeridas para lidiar con calor extremo. Si sabe que su dispositivo estará expuesto a altas temperaturas, es esencial seleccionar materiales con propiedades de disipación de calor.

Usar una base de poliamida es a menudo una buena opción para la disipación de calor. Las PCB flexibles tienen materiales más delgados y flexibles que permiten una mayor relación superficie-volumen. Las PCB de aluminio, un tipo de placa de núcleo metálico, son otra excelente opción 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 eficazmente. Estas PCB de aluminio son beneficiosas para aplicaciones de alta potencia. Para proyectos de alta temperatura, las PCB de cobre proporcionan la mejor disipación de calor y conductividad térmica.

Una opción no metálica efectiva son las PCB de cerámica. Típicamente hechas de nitruro de aluminio o alúmina, las PCB 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 arrays de vías térmicas

Los arrays de vías térmicas son otra excelente opción para la disipación de calor, ayudando a aumentar el área y masa del cobre. Al expandir la masa y área del cobre, un dispositivo tendrá resistencia térmica reducida. Los arrays de vías térmicas también ofrecen mayor disipación de calor para componentes críticos porque permiten una mejor conducción. Debido a su capacidad para disipar calor y reducir la resistencia térmica, las empresas a menudo utilizan arrays de vías térmicas cerca de fuentes de calor para lograr un mejor rendimiento.

Los arrays de vías térmicas son populares para empresas que buscan remover disipadores de calor de su PCB. Los arrays de vías térmicas pueden combinarse con un pad en ciertas aplicaciones para conducir calor lejos de un dispositivo. Esta combinación mejora la disipación de calor de la PCB mientras también elimina la necesidad de disipadores de calor.

6. Implementar tecnología Copper Coin (moneda de cobre)

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

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

7. Optimizar el diseño de la PCB

Cuando una empresa diseña una PCB, a menudo confiará en algunas mejores prácticas para asegurar efectivamente que el diseño de la PCB disipe el calor. Un par de prácticas incluyen colocar partes sensibles a la temperatura en las regiones de menor temperatura de un dispositivo, como en la parte inferior, y evitar instalarlas encima de dispositivos de calefacción. Los diseñadores también escalonarán múltiples partes colocadas en un plano horizontal para una mayor ventilación. Si una empresa quiere mantener mejor un seguimiento de la temperatura de su PCB, colocarán el termómetro en el área más caliente para mediciones precisas.

Un excelente diseño de PCB asegurará que las fuentes de calor estén instaladas lo más lejos posible unas de otras para evitar acumulación excesiva de calor. Si una PCB tiene un ventilador de refrigeración, también es una buena idea que los diseñadores coloquen componentes que generan calor aguas abajo del ventilador de refrigeración mientras instalan partes de baja generación de calor aguas arriba del ventilador. Los diseñadores expertos de PCB estudiarán la circulación de aire de la PCB, colocando dispositivos de alta producción de calor en el área apropiada basada en el flujo de aire.

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