Temperatura de PCB:una guía sobre cómo manejar las altas temperaturas

Si bien el concepto de PCB tiene ciertos fundamentos en su diseño que se han mantenido sin cambios durante mucho tiempo, una tecnología que afecta a los PCB ha cambiado rápidamente en las últimas décadas. Un problema que permanece constante es el tema de la temperatura de la PCB.

La forma física de una PCB se compone de trazas, orificios, capas, orificios pasantes y máscaras de soldadura. Cada una de estas cosas puede verse afectada por la temperatura de la PCB.

Puede ocurrir un efecto de bola de nieve de problemas si las temperaturas de PCB aumentan linealmente. Si no se marca, esto afectará negativamente el rendimiento de la PCB.

Este artículo proporcionará una descripción general del diseño de placas de alta temperatura y cómo se pueden microgestionar las temperaturas.

1. Causas de la alta temperatura de PCB

El primer paso para microgestionar cualquier cosa es detectar el origen de la microgestión necesaria. La temperatura de la PCB no es una excepción, y dado que las PCB usan calor para funcionar, primero es necesario determinar la causa de la alta temperatura de la PCB.

La temperatura alta de la placa de circuito impreso puede provocar problemas de rendimiento. Cuando las corrientes son demasiado fuertes en una PCB, las temperaturas aumentarán.

Hay tres signos reveladores de esta anomalía.

Disipación de componentes

Es la primera señal de que las temperaturas en una PCB están aumentando demasiado. Una cosa para recordar aquí es que el calor generado por un componente es directamente proporcional a la corriente de carga que fluye a través de dicho componente.

En este caso particular, la disipación de componentes ocurre cuando un componente de la PCB no genera el tipo de energía que normalmente genera. Hace que otras funciones creen más energía de lo habitual para equilibrar el componente disipador.

Si la corriente que viaja a través de una resistencia es inconsistente, el capacitor y otros componentes principales de la placa de circuito llevarán una carga más significativa de lo habitual para compensar.

Agujero pasante

Una de las cosas más comunes que proporcionan energía a un componente es el disipador de calor. Los componentes del disipador de calor también se conocen como componentes de orificio pasante.

Estos componentes generan calor disipando el calor en el aire. El disipador de calor lo hace posible, y una forma de microgestionar las temperaturas de la PCB aquí es ver si el disipador de calor está soldado correctamente.

Si otro componente de la placa de circuito impreso interfiere con los orificios pasantes o los disipadores de calor, esto hará que las otras funciones trabajen horas extra para generar más calor del necesario.

Componentes SMD

SMD significa "dispositivo de montaje en superficie". Está conectado a una PCB al igual que un componente de orificio pasante y permite que las corrientes viajen más suavemente entre los componentes de orificio pasante y disipador de calor.

En lo que respecta al mantenimiento de las temperaturas de la PCB, uno de los problemas más comunes que uno puede encontrar se relaciona con la posición de los componentes de orificio pasante en la PCB en relación con los componentes SMD.

Si están demasiado lejos, la energía puede tardar demasiado en viajar hacia y desde estos componentes. Puede dar lugar a que las piezas permanezcan frías durante demasiado tiempo, lo que hará que otros miembros se sobrecalienten. Si están demasiado cerca uno del otro, la temperatura será inusualmente alta.

Gran parte de esta información proviene de WellPCB, una organización que se especializa en explorar nuevas formas de microgestionar las temperaturas de las PCB.

2. Canales de transferencia de temperatura de PCB

Una cosa común acerca de la temperatura es que nunca son estáticas. Las temperaturas generalmente nunca se mantienen igual. Es consciente de esto, así como de múltiples canales de transmisión de temperatura de PCB.

La temperatura se ve afectada de muchas maneras, y una de las formas en que puede microgestionar tanto la temperatura general en su PCB como los componentes de la PCB es conocer no solo estos canales, sino también qué partes de la PCB utilizan qué canal.

Radiación

Cuando las personas se refieren a la energía térmica en forma de ondas electromagnéticas, están hablando de radiación. El calor radiante generalmente se genera de forma pasiva, lo que significa que no puede bajar o aumentar directamente la temperatura por radiación.

El calor radiante tiene un efecto casi insignificante en la temperatura de la PCB.

Al mismo tiempo, también es el canal por el que probablemente deberías preocuparte más. Esto se debe a que las temperaturas de los PCB también se ven afectadas por la energía térmica.

Cuando se trata de temperatura, nada es realmente insignificante. Piensa en lo que sucedería si un avión se desviara solo un grado de su rumbo. Si esto sucede, aterrizará en un lugar diferente al planeado, sin importar cuán corta sea la distancia.

Las temperaturas de PCB funcionan de la misma manera. Si una PCB necesita estar a una temperatura de 30 grados centígrados para funcionar de manera óptima, pero permanece a 32 grados durante mucho tiempo, los resultados no serán los deseables.

Si bien no hay forma de microgestionar el calor radiante directamente, es posible microgestionar el calor radiante indirectamente. Estar en un ambiente con temperatura constante al construir y fabricar PCB es una forma de hacerlo.

Convección

La convección tiene lugar cuando el calor se transfiere a los fluidos o al aire. A diferencia de la radiación, la convección es completamente directa y tiene un efecto poderoso en la temperatura general de la PCB.

El ejemplo más famoso de convección es cuando se cocina algo. Después de todo, casi todos los hornos son hornos de convección. El calor del horno se transfiere al aire, lo que le permite calentar cosas.

La "cocción" también tiene lugar cuando se trata de materiales de PCB y, al igual que es esencial conocer la temperatura al preparar alimentos en una cocina, también es necesario conocer la temperatura al calentar materiales de PCB.

Conducción

La forma más directa de canal de transferencia de temperatura es la conducción. En la conducción, el calor se transfiere entre una fuente de calor y un disipador de calor.

El ejemplo más potente de esto es cuando un rayo golpea algo metálico o fluido. En estos ejemplos, la fuente de calor es un rayo y el disipador de calor es líquido o metálico.

Saber qué componentes de su PCB funcionan como fuentes de calor y qué partes de la PCB funcionan como disipadores de calor es una excelente manera de determinar cuándo es una buena idea decidir qué tipos de corrientes pueden soportar los componentes.

3. Tolerancia de temperatura de PCB

Los fabricantes de PCB también tienen problemas con el sobrecalentamiento de los componentes de las PCB porque no se han tomado el tiempo de aprender qué tipos de temperaturas puede soportar el material.

Solo saber esto y hacer una lista es algo que todo fabricante debería hacer. Tener a mano una lista que muestre qué tan caliente puede llegar a estar cada material es muy útil y, en muchos casos, necesario.

Por ejemplo, los paneles de PCB contienen un material llamado FR-4, que puede soportar temperaturas de hasta 90 a 110 grados centígrados. Por lo tanto, al preparar una placa de circuito impreso con materiales FR-4, debe tener en cuenta las corrientes que involucran a este material que pueden superar los 110 grados centígrados.

Saber qué tipo de temperaturas tienen los paneles de las PCB que planea fabricar es uno de los aspectos más críticos de la microgestión de la temperatura de una PCB, pero también uno de los que más se pasa por alto.

4. Cómo medir la temperatura de PCB

Es esencial comprender qué tipos de temperaturas pueden soportar los materiales de su panel de PCB. También es necesario saber cómo se transfiere el calor entre los componentes de la PCB.

Saber estas cosas lo ayudará a microgestionar la temperatura general de su PCB. Otra cosa que es bueno saber es cómo medir la temperatura de la PCB.

Medir, en este caso, no significa comprobar las temperaturas ambientales que se muestran.

En cambio, se refiere a medir cómo aumenta y disminuye la temperatura. Conocer estos procesos es uno de los métodos más precisos para medir la temperatura general de la PCB.

Hay algunas cosas que debe identificar antes de medir la temperatura de la PCB de esta manera. Estos son la fuente de calor primaria y el sensor de temperatura. Es cómo se genera la mayor parte del calor y donde tienen lugar la mayoría de las corrientes.

Lo siguiente que debe hacer es encontrar el pin GND de la fuente de calor. Suele estar conectado al sustrato de la fuente de calor.

Después de hacer esto, puede medir la temperatura de la PCB haciendo estas tres cosas:

Usando un plano de tierra común entre el sensor de temperatura y la fuente de calor.

Está conectando los pines GND de todos los sensores de temperatura al plano de tierra de la fuente de calor.

Está manteniendo el sensor de temperatura y la fuente de calor razonablemente cerca uno del otro en la PCB.

Hacer esto le permitirá realizar un seguimiento preciso y constante de la temperatura global de la placa de circuito impreso y la fuente de calor principal.

5. Resultados causados ​​por temperatura excesiva de PCB

Saber cómo medir las temperaturas de PCB con precisión y de forma adecuada es una cosa. Pero, ¿qué sucede cuando los componentes y materiales de una PCB se calientan demasiado?

Las temperaturas excesivas destruirán la integridad de la capa.

¿Qué sucede cuando algo se calienta o se enfría inusualmente? Se expanden y contraen, respectivamente.

Los PCB no son diferentes. Las capas de la PCB son sensibles a las temperaturas. Las temperaturas excesivas deformarán la longitud, el ancho y el grosor de cualquier capa de PCB si no se microgestionan.

Volviendo al ejemplo de la convección en el capítulo 2, esto es similar a dejar comida en el microondas durante demasiado tiempo, lo que hace que explote.

Algo similar sucede con las capas de PCB si se sobrecalientan.

La energía térmica expande la mayoría de las sustancias, alterándolas.

Las sustancias se expanden cuando se sobrecalientan, alterando su forma de alguna manera.

Los materiales de circuito no están exentos de esto. Las altas temperaturas pueden cambiar y cambiarán la forma de las líneas de transición en estos materiales de circuito. Cuando esto suceda, cambiarán las dimensiones de los materiales del circuito.

Dará como resultado pérdidas directas, distorsión y cambios de frecuencia en los materiales del circuito.

Los materiales se expanden a diferentes velocidades.

Los materiales en una PCB no solo se expandirán cuando estén a altas temperaturas, sino que también se expandirán a diferentes velocidades.

La superficie de una PCB se compone de capas dieléctricas o capas de metal conductor. Estas capas se expanden a diferentes límites a diferentes velocidades. Estas diferencias no solo están separadas de la dieléctrica y la conductiva. Ninguna capa dieléctrica o conductora se crea igual.

Uno de los errores más comunes que puede cometer cualquier fabricante de PCB es confundir estas dos capas. Asegúrese de tomarse el tiempo para saber con qué capa está trabajando.

La soldadura de placas requiere diferentes temperaturas.

Soldar y soldar es una habilidad necesaria para cualquier persona que desee producir, probar y fabricar PCB.

Saber con qué tipo de temperaturas trabajar cuando se suelda y suelda es algo que cualquier persona en una empresa de fabricación de PCB debe saber, incluso si no está directamente involucrado en la soldadura y soldadura blanda de ningún material.

6. Elegir los materiales de PCB correctos

Otra forma de microgestionar y establecer correctamente las temperaturas de las PCB es elegir los materiales adecuados para las placas. Elegir los materiales incorrectos hará que sea mucho más complicado de lo que debería ser microgestionar estas temperaturas.

El material más común para una placa de PCB se llama FR-4. Cualquiera que recién esté comenzando en WellPCB. Le proporcionaremos un servicio integral y productos de alta calidad. ¡Puede enviarnos los documentos que necesita hacer y obtener una cotización de inmediato! ¿Qué estamos esperando? Tenemos diez años de fabricación de PCB o quien quiera minimizar los riesgos debe elegir este material. Un hilo común sobre los materiales FR-4 es que pueden resistir bien las temperaturas.

Otros dos materiales no son tan comunes como el FR-4, y estos son la poliimida y el RF. Si bien estos dos no resisten las temperaturas y el FR-4, tienen otras propiedades que los materiales FR-4 no tienen.

Esta lista proporcionará la mayor parte de la información que necesitará con respecto a estos materiales con respecto a sus capacidades de temperatura específicas.

Puede ver la lista completa aquí:https://bayareacircuits.com/material-library/.

7. Métodos para reducir la temperatura de PCB

Finalmente, es hora de explorar formas de reducir las temperaturas de los PCB. Estos se pueden aplicar a cualquier material de cualquier PCB.

Disipadores de calor

Las piezas, los materiales y los componentes de las PCB generan calor. Un disipador de calor adecuado disipará este calor, lo que permitirá microgestionar el calor.

Ventiladores de refrigeración

Casi todos los dispositivos electrónicos contienen un ventilador, pero muchos no entienden cuál es su propósito.

Ya sea parte de un dispositivo electrónico completo o parte de un WellPCB, le brindaremos un servicio integral y productos de alta calidad. ¡Puede enviarnos los documentos que necesita hacer y obtener una cotización de inmediato! ¿Qué estamos esperando? Tenemos diez años de dispositivos de fabricación de PCB; el propósito de un ventilador de enfriamiento es permitir que el aire caliente salga del dispositivo mientras deja entrar aire frío.

Las placas más gruesas requieren más potencia para alcanzar altas temperaturas.

El grosor de la placa es uno de los problemas más confusos que enfrentan los fabricantes cuando se trata de temperaturas de PCB.

Mientras que los platos más gruesos requieren más potencia para alcanzar temperaturas más altas, cuanto más completo es un plato, menos resiste. Puede disminuir la temperatura. Esta anomalía permite otro método más para controlar las temperaturas de PCB.

Consideraciones de integración de tubería de calor

¿Cuál es el propósito principal de cualquier tubería dada? Es para organizar el flujo de cualquier sustancia dada.

También es cierto cuando se microgestiona la temperatura de la PCB, ya que los líquidos involucrados en la producción de PCB pueden absorber calor, evaporarse y luego volver a condensarse en líquido.

Este tipo de proceso le permite continuar trabajando con cualquier material y componente con el que necesite trabajar y, al mismo tiempo, microgestionar automáticamente las temperaturas involucradas.

Conclusión y resumen

Si posee una aguda atención a los detalles y está bien informado, no es difícil comprender las causas y soluciones que rodean la temperatura de la PCB. También se puede encontrar información adicional en los archivos de artículos de WellPCB.

Hay muchas cosas que aprender cuando se trata de microgestionar las temperaturas de PCB, y la clave para hacerlo es ser paciente y constante. Dominar el arte de administrar las temperaturas de las PCB lleva tiempo, y guías como esta están diseñadas para ahorrar mucho tiempo.

WellPCB se ha especializado en el proveedor de servicios de PCB correcto. Afortunadamente, existen varios campos de fabricación de PCB desde hace algún tiempo. Estamos comprometidos a brindar información a otros fabricantes de PCB y proporcionar los mejores materiales, componentes y servicios para ambos.