Guía completa para la gestión de temperatura en PCB

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• Cómo medir la temperatura del PCB
• ¿Cuánto calor puede soportar un PCB?
• Causas comunes de alta temperatura en un PCB
• Cómo prevenir altas temperaturas en un PCB
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La temperatura es un elemento importante de seguridad, fiabilidad y rendimiento en circuitos impresos (PCB). Las altas temperaturas pueden llevar rápidamente a malfuncionamientos y daños permanentes.

Varias circunstancias pueden introducir calor en el funcionamiento de un PCB. Un componente montado en el PCB podría producir calor excesivo. Un elemento externo, por ejemplo, otro componente en un sistema complejo como un sistema aeroespacial o aplicación médica, podría generar calor excesivo. El calor podría acumularse en el PCB debido a una ventilación inadecuada. O durante el ensamblaje del PCB, el calor producido durante el taladrado y la soldadura podría causar estrés térmico indebido en los componentes y llevar a placas defectuosas.

Sea cual sea la razón, los ingenieros necesitan formas de gestionar el calor para garantizar que los PCB puedan sobrevivir a los altos esfuerzos térmicos que inevitablemente encontrarán. ¿Cuáles son algunas técnicas efectivas de disipación de calor en PCB y formas de prevenir el aumento de temperatura en PCB? Respondemos estas preguntas con más detalle a continuación.

¿Por qué es importante monitorear la temperatura del PCB?

Monitorear la temperatura del PCB es crítico porque las altas temperaturas pueden alterar la estructura del PCB y disminuir su rendimiento o causar su descomposición.

La medición de la temperatura del PCB también es crítica porque los problemas que resultan de las altas temperaturas no permanecen localizados. Pueden extenderse rápidamente a otros componentes del PCB y causar una cascada de malfuncionamientos y daños.

El calor excesivo en un PCB puede causar los siguientes tipos de daño:

• Pérdida de integridad estructural: El calor excesivo puede dañar la integridad de un PCB. Las capas de un PCB son altamente sensibles a las fluctuaciones de temperatura, y cuando se calientan o enfrían demasiado, se expanden y contraen. El calor excesivo puede llevar a deformaciones en las longitudes, anchos y grosores de diferentes capas de PCB.
• Interrupción de líneas de circuito: El calor excesivo también puede resultar en daño de circuito. Las líneas de 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. Su impedancia de conductor también puede cambiar desde su valor estándar de 50 ohmios. Los circuitos de ondas milimétricas y microondas, en particular, tienen componentes diminutos y delicados que pueden dañarse fácilmente si se expanden y deforman a altas temperaturas.
• Tasas incompatibles de expansión de materiales: Los efectos perjudiciales mencionados anteriormente se ven agravados por el hecho de que diferentes materiales se expanden a diferentes tasas. Un 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, un PCB sobrecalentado puede experimentar más daños a medida que los diferentes tipos de capas se separan.
• Oxidación: La oxidación de componentes de PCB también es una preocupación a altas temperaturas. El material dieléctrico expuesto en PCB no tiene protección contra la oxidación si no tiene un recubrimiento laminado protector. En ese caso, el material puede oxidarse después de la exposición a altas temperaturas. A menudo resultan pérdida de líneas de transmisión y un factor de disipación más alto.

Cómo medir la temperatura del PCB

Antes de medir la temperatura del PCB, es esencial determinar la fuente principal de calor en el PCB, típicamente el microcontrolador o microprocesador, así como localizar los sensores de temperatura.

También es necesario encontrar los pines de tierra (GND), que generalmente están conectados al sustrato de la fuente de calor. Un gran porcentaje del calor generado en un 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 del PCB entre el sensor de temperatura y la fuente de calor.

Una vez que tiene estas piezas de información, el monitoreo de temperatura puede comenzar. La medición de temperatura del PCB generalmente involucra 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 entre sí en el PCB.

Seguir estos pasos le permitirá medir las temperaturas de la fuente principal de calor, y por lo tanto del PCB en su conjunto, con precisión y exactitud.

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

Cuánto calor puede soportar un PCB depende de los materiales de los que está compuesto. Los materiales con propiedades térmicas óptimas proporcionan una resistencia confiable contra los efectos del calor alto, mientras que algunos materiales resisten menos confiablemente las altas temperaturas. La métrica conocida como temperatura de transición vítrea (Tg) ayuda a indicar esta resistencia. Por ejemplo, FR-4 tiene una Tg de aproximadamente 135 grados Celsius.

Los PCB se definen típicamente como PCB de alta temperatura si pueden soportar un límite de temperatura de 150 grados Celsius. Algunos PCB de alta temperatura pueden soportar calores aún más altos, pero las placas fabricadas con materiales con menor resistencia al calor podrán operar de manera segura solo a temperaturas mucho más bajas. Los PCB de alta temperatura se están volviendo cada vez más comunes en aplicaciones como automotriz e industrial donde las temperaturas extremas son parte del entorno de trabajo.

Causas comunes de alta temperatura en un PCB

1. Mal funcionamiento de componente causando disipación

Una causa común de alta temperatura en un PCB es que un componente dentro del PCB falla y se disipa, fallando en generar la cantidad de energía que típicamente produce. Cuando esto sucede, los componentes circundantes tienen que generar más energía para compensar. Generar más energía conduce al riesgo de sobrecalentamiento.

2. Interferencia de orificio pasante (through-hole)

Los componentes de orificio pasante y los componentes de disipador de calor son los componentes del 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 del PCB interfiere con el orificio pasante, los otros componentes generarán más calor de lo habitual para compensar. Este escenario también conduce a un riesgo de sobrecalentamiento.

3. Distancia de dispositivos de montaje superficial (SMD)

Los dispositivos de montaje superficial (SMD) se conectan al PCB de la misma manera que los componentes de orificio pasante. Permiten un flujo de corriente más suave a través de los componentes de orificio pasante y disipador de calor. Pero los componentes de orificio pasante y los SMD deben posicionarse a la distancia correcta entre sí. Si están demasiado lejos, la corriente tendrá que viajar más lejos. El tiempo extra que tarda la corriente en viajar puede hacer que los componentes receptores se mantengan fríos por demasiado tiempo. Cuando eso sucede, otros componentes pueden sobrecalentarse para compensar.

4. Circuitos de alta frecuencia

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

Los circuitos de radiofrecuencia, por ejemplo, representan un sector de rápido crecimiento en la ingeniería de PCB. Estos circuitos son altamente 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 cantidades tremendas de calor, por lo que se necesitan técnicas de diseño especiales para estos tipos 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 un PCB

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

1. Disipadores de calor (Heat sinks)

Un PCB 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 implica disipadores de calor. Los disipadores de calor disipan el calor de forma segura para que no se acumule y dañe la placa.

2. Ventiladores

La mayoría de los dispositivos electrónicos contienen ventiladores para enfriamiento, y parte del propósito de esos ventiladores es ayudar a enfriar los PCB. Los ventiladores de enfriamiento dispersan el calor fuera de los dispositivos electrónicos mientras dejan entrar aire fresco, ayudando a prevenir el sobrecalentamiento y prolongar la vida útil y el rendimiento del PCB.

3. Considerar materiales y componentes

Elegir materiales resistentes al calor es una de las estrategias más efectivas para reducir el calor en un PCB. Por ejemplo, los PCB de cobre pesado construidos con placas de cobre grueso son excelentes opciones por su durabilidad y capacidad para soportar altas temperaturas. Manejan niveles más altos de corriente, resisten temperaturas más altas por períodos más largos y proporcionan puntos de conexión más fuertes que los PCB estándar. Por estas razones, son particularmente útiles en aplicaciones automotrices, aviación, maquinaria pesada y convertidores de energía 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 un PCB contiene FR-4 en su construcción puede permitir a los ingenieros diseñar circuitos que no generen más calor del que el material puede soportar.

Materiales como materiales RF, usados en circuitos de radiofrecuencia, y poliamida también son sensibles a las altas temperaturas. Politetrafluoroetileno (PTFE) es extremadamente común en placas RF, pero puede mancharse bajo el calor del taladrado, y la mancha es muy difícil de eliminar. Estos materiales no son tan comunes en PCB como FR-4, pero los ingenieros deben tener precaución en sus diseños si trabajan con estos materiales también. El uso de un laminado de alta temperatura en estas situaciones es altamente recomendado.

4. Aumentar el grosor y ancho de la placa

En PCB, las placas más gruesas tienden a conducir el calor menos eficazmente 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. Aplicar laminados

Aplicar laminados es otra forma de prevenir daños por altas temperaturas. Los laminados de PCB de alta temperatura pueden prevenir el sobrecalentamiento ofreciendo protección térmica para los componentes del 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 alta Tg ofrecen protección superior.
• Tiempo a deslaminación: El calor alto puede deslaminar un laminado de PCB con el tiempo. Los mejores laminados tardarán mucho en deslaminarse a altas temperaturas.
• Absorción de humedad: Los laminados de PCB deben tener capacidades de absorción de humedad confiables y protectoras. Si el PCB operará en un entorno controlado por aire como un laboratorio, la absorción de humedad puede no ser una alta prioridad. Pero si el PCB operará en un entorno donde pueda exponerse a los elementos, las capacidades adecuadas de absorción de humedad son críticas.
• 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 protección superior.
• Expansión en eje Z: La expansión en eje Z se refiere a la expansión del material a lo largo del eje Z como porcentaje del coeficiente de expansión térmica. Una menor expansión en eje Z también ofrece protección superior.

6. Alinear 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 manera, si las capas se expanden, lo hacen de manera uniforme, lo que conduce a un daño mínimo.

En un stack multicapa, si los CTE no están alineados, las capas se expandirán a tasas radicalmente diferentes, lo que puede causar deformación e interrupción. Si esta expansión desigual ocurre durante el ensamblaje del PCB, los desalineamientos también pueden causar problemas graves para el taladrado.

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

7. Mantener espaciado adecuado

Determinar el espaciado de componentes en un PCB puede ser un proceso complicado. Cuando los componentes de la placa están demasiado cerca, puede resultar diafonía (crosstalk); es decir, diferentes componentes pueden comenzar a interactuar entre sí de manera indeseable. Estas interacciones no deseadas llevan a algo conocido como efecto piel (skin effect). Cuando ocurre el efecto piel, las resistencias de traza aumentan, lo que conduce a pérdidas resistivas y añade calor al circuito. El efecto piel es particularmente común con PCB de alta frecuencia, por lo que los ingenieros deben tener especial cuidado con el espaciado de componentes para evitar que las placas se sobrecalienten.

8. Integrar heat pipes correctamente

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

9. Maximizar RTI y MOT

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

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

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