Guía de temperatura de PCB

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• Cómo medir la temperatura de PCB
• ¿Cuánto calor puede soportar una PCB?
• Causas comunes de calor elevado en una PCB
• Cómo prevenir altas temperaturas en una PCB
• Comuníquese con MCL para todas sus necesidades de PCB

La temperatura es un elemento importante de seguridad, confiabilidad y rendimiento en las placas de circuito impreso (PCB). Las altas temperaturas pueden provocar rápidamente fallos de funcionamiento y daños permanentes.

Varias circunstancias pueden introducir calor en el funcionamiento de una PCB. Un componente montado en la PCB podría producir un calor excesivo. Un elemento externo, por ejemplo, otro componente de un sistema complejo como un sistema aeroespacial o una aplicación médica, podría generar un calor excesivo. El calor puede acumularse en la placa de circuito impreso debido a una ventilación inadecuada. O durante el ensamblaje de la placa de circuito impreso, el calor producido durante la perforación y la soldadura puede provocar una tensión térmica indebida en los componentes y provocar placas defectuosas.

Cualquiera que sea el motivo, los ingenieros necesitan formas de gestionar el calor para garantizar que las PCB puedan sobrevivir a las altas tensiones térmicas que inevitablemente encontrarán. ¿Cuáles son algunas técnicas efectivas de disipación de calor de PCB y formas de prevenir el aumento de temperatura de PCB? Responderemos estas preguntas con más detalle a continuación.

¿Por qué es importante monitorear la temperatura de PCB?

El control de la temperatura de la placa de circuito impreso es fundamental porque las altas temperaturas pueden alterar la estructura de la placa de circuito impreso y disminuir su rendimiento o hacer que se rompa.

La medición de la temperatura de la PCB también es crítica porque los problemas que resultan de las altas temperaturas no permanecen localizados. Pueden propagarse rápidamente a otros componentes de la placa de circuito impreso y causar una cascada de averías y daños.

El calor excesivo en una PCB puede causar los siguientes tipos de daños:

• Pérdida de integridad estructural: El calor excesivo puede dañar la integridad de una PCB. Las capas de una placa de circuito impreso son muy sensibles a las fluctuaciones de temperatura y, cuando se calientan o se enfrían demasiado, se expanden y contraen. El calor excesivo puede provocar deformaciones en los largos, anchos y grosores de las diferentes capas de PCB.
• Interrupción de las líneas del circuito: El calor excesivo también puede provocar daños en el circuito. Las líneas del circuito se expanden y cambian de forma cuando se sobrecalientan. Una vez que esto sucede, los circuitos se vuelven susceptibles a cambios de frecuencia, distorsiones y pérdidas directas. La impedancia de su conductor también puede cambiar de su valor estándar de 50 ohmios. Los circuitos de ondas milimétricas y los circuitos de microondas, en particular, tienen componentes diminutos y delicados que pueden sufrir daños fácilmente si se expanden y deforman a altas temperaturas.
• Tasas incompatibles de expansión material: Los efectos perjudiciales señalados anteriormente se ven agravados por el hecho de que diferentes materiales se expanden a diferentes velocidades. Una PCB tiene dos tipos básicos de capas:capas dieléctricas y capas de metal conductor. Debido a que contienen diferentes materiales, se expanden de manera diferente en respuesta al calor. Por lo tanto, una placa de circuito impreso sobrecalentada puede sufrir más daños a medida que los diferentes tipos de capas se separan.
• Oxidación: La oxidación de los componentes de PCB también es una preocupación a altas temperaturas. El material dialéctico expuesto en PCB no tiene protección contra la oxidación si no tiene un revestimiento laminado protector. En ese caso, el material puede oxidarse después de la exposición a altas temperaturas. A menudo se produce la pérdida de las líneas de transmisión y un factor de disipación más alto.

Cómo medir la temperatura de PCB

Antes de medir la temperatura de la placa de circuito impreso, es esencial determinar la fuente de calor principal en la placa de circuito impreso (por lo general, el microcontrolador o el microprocesador), así como ubicar los sensores de temperatura.

También es necesario encontrar los pines de tierra (GND), que generalmente están unidos al sustrato de la fuente de calor. Un gran porcentaje del calor generado en una PCB se mueve al sensor de temperatura a través de estos pines GND. Debido a que los pines se conectan al sustrato, tienen la menor resistencia térmica de cualquier componente de la PCB entre el sensor de temperatura y la fuente de calor.

Una vez que tenga esta información, puede comenzar a monitorear la temperatura. La medición de la temperatura de la placa de circuito impreso suele implicar tres pasos diferentes:

1. Coloque un plano de tierra entre los sensores de temperatura y la fuente de calor.
2. Conecte los pines GND de cada sensor de temperatura al plano de tierra de la fuente de calor.
3. Asegúrese de que los sensores de temperatura y la fuente de calor permanezcan cerca uno del otro en la PCB.

Seguir estos pasos le permitirá medir las temperaturas de la fuente de calor principal (y, por lo tanto, de la placa de circuito impreso en su conjunto) con exactitud y precisión.

¿Cuál es la temperatura máxima que puede soportar una PCB?

La cantidad de calor que puede soportar una PCB depende de los materiales que la componen. Los materiales con propiedades térmicas óptimas brindan una resistencia confiable contra los efectos del calor intenso, mientras que algunos materiales resisten de manera menos confiable las altas temperaturas. La métrica conocida como temperatura de transición vítrea (TG) ayuda a indicar esta resistencia. Por ejemplo, FR-4 tiene un TG de unos 135 grados centígrados.

Los PCB generalmente se definen como PCB de alta temperatura si pueden soportar un límite de temperatura de 150 grados Celsius. Algunas PCB de alta temperatura pueden soportar calores aún más altos, pero las placas fabricadas con materiales con menos resistencia al calor solo podrán funcionar de manera segura a temperaturas mucho más bajas. Los PCB de alta temperatura se están volviendo cada vez más comunes en aplicaciones tales como aplicaciones industriales y automotrices donde las temperaturas extremas son parte del entorno de trabajo.

Causas comunes de calor elevado en una PCB

1. Mal funcionamiento del componente que causa la disipación

Una causa común del alto calor en una PCB es que un componente dentro de la PCB funciona mal y se disipa, sin poder generar la cantidad de energía que normalmente produce. Cuando esto sucede, los componentes circundantes tienen que generar más energía para compensar. Generar más energía conlleva el riesgo de sobrecalentamiento.

2. Interferencia de orificio pasante

Los componentes de orificio pasante y los componentes del disipador de calor son los componentes de la PCB que suministran energía. Generan calor y lo disipan en el aire. Si un disipador de calor se suelda incorrectamente o si un componente diferente de la PCB interfiere con el orificio pasante, los otros componentes generarán más calor de lo normal para compensar. Este escenario también conlleva un riesgo de sobrecalentamiento.

3. Distancia del dispositivo de montaje en superficie

Los dispositivos de montaje en superficie (SMD) se conectan a la PCB de la misma manera que lo hacen los componentes de orificio pasante. Permiten un flujo de corriente más suave a través de los componentes del disipador de calor y del orificio pasante. Pero los componentes de orificio pasante y los SMD deben colocarse a la distancia correcta entre sí. Si están demasiado lejos, la corriente tendrá que viajar más lejos. El tiempo adicional que tarda la corriente en viajar puede hacer que los componentes receptores se mantengan fríos durante demasiado tiempo. Cuando eso sucede, es posible que otros componentes se sobrecalienten para compensar.

4. Circuitos de alta frecuencia

Las altas temperaturas son particularmente probables en aplicaciones que utilizan circuitos de alta frecuencia. La razón es que la generación de más energía naturalmente produce más calor.

Los circuitos de radiofrecuencia, por ejemplo, representan un sector de rápido crecimiento en la ingeniería de PCB. Estos circuitos son muy complejos pero tienen muchas aplicaciones útiles, desde seguridad inalámbrica en productos médicos e industriales hasta teléfonos inteligentes. Estos circuitos de alta frecuencia tienden a generar enormes cantidades de calor, por lo que se necesitan técnicas de diseño especiales para este tipo de PCB.

5. Soldadura sin plomo

En su conjunto, la industria de PCB se está moviendo hacia la restricción de sustancias peligrosas (RoHS). Los PCB RoHS usan soldadura sin plomo, y la soldadura sin plomo requiere altas temperaturas para que pueda fluir libremente.

Cómo prevenir altas temperaturas en una PCB

Como hemos visto, es fundamental prevenir un aumento de la temperatura de la PCB. Pero, ¿cómo se puede reducir el calor en una PCB? Los ingenieros pueden emplear algunas técnicas diferentes de disipación de calor de PCB:

1. Disipadores de calor

Una placa de circuito impreso es básicamente una fábrica generadora de calor debido a todos los componentes productores de calor que contiene. El PCB necesita alguna forma de disipar toda esa energía térmica. Generalmente, la respuesta involucra disipadores de calor. Los disipadores de calor disipan el calor de forma segura para que no se acumule y dañe la placa.

2. Aficionados

La mayoría de los dispositivos electrónicos contienen ventiladores para enfriar, y parte del propósito de esos ventiladores es ayudar a enfriar las PCB. Los ventiladores de refrigeración dispersan el calor de los dispositivos electrónicos mientras dejan entrar aire frío, lo que ayuda a evitar el sobrecalentamiento y prolonga la vida útil y el rendimiento de la placa de circuito impreso.

3. Consideración de materiales y componentes

Elegir materiales resistentes al calor es una de las estrategias más efectivas para reducir el calor en una PCB. Por ejemplo, los PCB de cobre pesado construidos con placas de cobre gruesas son excelentes opciones por su durabilidad y capacidad para soportar altas temperaturas. Manejan niveles más altos de corrientes, resisten temperaturas más altas durante más tiempo y proporcionan puntos de conexión más fuertes que los PCB estándar. Por estas razones, son particularmente útiles en aplicaciones de convertidores de potencia, maquinaria pesada, aviación y automoción y otros entornos de servicio pesado.

Muchos PCB contienen FR-4 que, aunque es útil como retardante de llama, no puede tolerar temperaturas extremadamente altas. Saber que una PCB contiene FR-4 en su construcción puede permitir a los ingenieros diseñar circuitos que no generarán más calor del que puede soportar el material.

Los materiales como los materiales RF (utilizados en circuitos de radiofrecuencia) y la poliamida también son sensibles a las altas temperaturas. El politetrafluoroetileno (PTFE) es extremadamente común en las placas de RF, pero puede mancharse con el calor de la perforación y la mancha es muy difícil de eliminar. Estos materiales no son tan comunes en PCB como FR-4, pero los ingenieros deben tener cuidado en sus diseños si también trabajan con estos materiales. Se recomienda encarecidamente utilizar un laminado de alta temperatura en estas situaciones.

4. Aumento del grosor y el ancho de la placa

En las PCB, las placas más gruesas tienden a conducir el calor con menos eficacia que las más delgadas. Requieren más energía para alcanzar altas temperaturas, por lo que con la ingeniería adecuada, pueden ayudar a reducir el riesgo de sobrecalentamiento, deformación e interrupción.

5. Aplicación de laminados

La aplicación de laminados es otra forma de evitar daños por altas temperaturas. Los laminados de PCB de alta temperatura pueden evitar el sobrecalentamiento al ofrecer protección contra el calor para los componentes de la PCB.

Los laminados de alta temperatura deben tener las siguientes propiedades protectoras:

• Temperatura de transición vítrea (TG):la temperatura de transición vítrea se refiere a la temperatura a la que los polímeros cambian termodinámicamente de rígidos a blandos. Los PCB de alto TG ofrecen una protección superior.
• Tiempo de delaminación:el calor intenso puede delaminar un laminado de PCB con el tiempo. Los mejores laminados tardarán mucho tiempo en deslaminarse a altas temperaturas.
• Absorción de humedad:los laminados de PCB deben tener capacidades protectoras y confiables de absorción de humedad. Si el PCB operará en un ambiente de aire controlado como un laboratorio, la absorción de humedad puede no ser una prioridad alta. Pero si la PCB operará en un ambiente donde puede quedar expuesta a los elementos, las capacidades adecuadas de absorción de humedad son fundamentales.
• Temperatura de descomposición (TD):la temperatura de descomposición se refiere a la temperatura a la que se pierde el 5 % de la masa del laminado debido a la descomposición. Una alta temperatura de descomposición ofrece una protección superior.
• Expansión del eje Z:la expansión del eje Z se refiere a la expansión del material a lo largo del eje z como porcentaje del coeficiente de expansión térmica. La expansión inferior del eje z también ofrece una protección superior.

6. Alineación de CTE

El coeficiente de expansión térmica (CTE) mide cuánto se expande un material cuando se expone a altas temperaturas. En el diseño de PCB, es ideal que las capas dieléctricas tengan un CTE similar al de las capas de cobre. De esa forma, si las capas se expanden, lo hacen de manera uniforme, lo que genera un daño mínimo.

En una pila multicapa, si los CTE no están alineados, las capas se expandirán a velocidades radicalmente diferentes, lo que puede provocar deformaciones e interrupciones. Si esta expansión desigual se produce durante el montaje de la placa de circuito impreso, las desalineaciones también pueden causar problemas graves para la perforación.

Elegir materiales de PCB con CTE más bajos ayuda a prevenir el sobrecalentamiento. Por ejemplo, el PTFE relleno con fibra de vidrio o microvidrio tejido tiene excelentes características eléctricas, pero también tiene un alto CET. Por lo tanto, este material es una mala elección cuando la dureza térmica es una prioridad. Por otro lado, el PTFE relleno de cerámica tiene un CTE más bajo y se comporta mucho mejor a altas temperaturas, aunque pierde un poco en características eléctricas.

7. Mantener un espacio adecuado

Determinar el espaciado de los componentes en una PCB puede ser un proceso complicado. Cuando los componentes de la placa están demasiado juntos, puede producirse diafonía, es decir, diferentes componentes pueden comenzar a interactuar entre sí de formas no deseadas. Estas interacciones no deseadas conducen a algo conocido como efecto piel. Cuando ocurre el efecto pelicular, las resistencias traza aumentan, lo que genera pérdidas resistivas y agrega calor al circuito. El efecto de piel es particularmente común con las PCB de alta frecuencia, por lo que los ingenieros deben tener mucho cuidado con el espaciado de los componentes para evitar que las placas se sobrecalienten.

8. Integración de tubos de calor correctamente

Los tubos de calor en una PCB también pueden ayudar a dispersar el calor. El líquido de las tuberías puede absorber el calor y evitar que dañe los componentes de la placa.

9. Maximizando RTI y MOT

El índice térmico relativo (RTI) y la temperatura máxima de funcionamiento (MOT) son dos medidas relevantes a las que los ingenieros deben prestar mucha atención en el diseño de PCB.

RTI indica la temperatura más alta que un material puede soportar sin sufrir cambios en sus propiedades o una reducción en su rendimiento. MOT se refiere a la temperatura más alta que una configuración de placa de circuito en particular puede soportar sin sufrir cambios en sus propiedades o disminución de su rendimiento. Los ingenieros deben tener en cuenta estas dos medidas en el diseño de PCB y elegir materiales y componentes de circuito con resistencia al calor sólida según lo determinado por estas métricas.

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