Gestión de temperatura en PCB: Estrategias probadas para controlar el calor

Mientras el concepto de PCB tiene ciertos fundamentos en su diseño que han permanecido inalterados por mucho tiempo, la tecnología que afecta a los PCBs ha cambiado rápidamente en las últimas décadas. Un problema que permanece constante es el de la temperatura del PCB.

La forma física de un PCB está compuesta por pistas, agujeros, capas, orificios pasantes y máscaras de soldadura. Cada una de estas cosas puede verse afectada por la temperatura del PCB.

Un efecto bola de nieve de problemas puede ocurrir si las temperaturas del PCB aumentan linealmente. Si no se controla, esto afectará negativamente el rendimiento del PCB.

Este artículo proporcionará una visión general del diseño de placas de alta temperatura y cómo las temperaturas pueden ser micromanageadas.

1. Causas de alta temperatura en PCB

El primer paso para micromanagear cualquier cosa es detectar la fuente de la micromanagement necesaria. La temperatura del PCB no es una excepción, y como los PCBs usan calor para funcionar, primero es necesario determinar la causa de la alta temperatura del PCB.

La alta temperatura del PCB puede llevar a problemas de rendimiento. Cuando las corrientes son demasiado fuertes a través de un PCB, las temperaturas subirán.

Hay tres señales reveladoras de esta anomalía.

Disipación de componentes

Es la primera señal de que las temperaturas en un PCB están subiendo demasiado. Una cosa a 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 del PCB no está generando el tipo de energía que suele generar. Hace que otras características creen más energía de lo normal para equilibrar el componente disipativo.

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

Orificio pasante

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

Estos componentes generan calor disipando calor en el aire. El disipador de calor hace esto posible, y una forma en que puedes micromanagear las temperaturas del PCB aquí es ver si el disipador de calor está soldado correctamente.

Si otro componente en el PCB está interfiriendo con los orificios pasantes o disipadores de calor, esto hará que las otras características trabajen horas extra para generar más calor del necesario.

Componentes SMD

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

En cuanto a mantener las temperaturas del PCB, uno de los problemas más comunes que se pueden encontrar se refiere a la posición de los componentes de orificio pasante en el PCB relativos a los componentes SMD.

Si están demasiado lejos, puede tomar demasiado tiempo para que la energía viaje hacia y desde estos componentes. Puede resultar en que las piezas se mantengan frías por demasiado tiempo, lo que hará que otros miembros se sobrecalienten. Si están demasiado cerca, la temperatura será inusualmente alta.

Gran parte de esta información proviene de WellPCB, una organización especializada en explorar nuevas formas de micromanagear las temperaturas del PCB.

2. Canales de transferencia de temperatura en PCB

Una cosa común sobre la temperatura es que nunca son estáticas. Las temperaturas generalmente nunca se quedan iguales. Es consciente de esto, así como de los múltiples canales de transmisión de temperatura del PCB.

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

Radiación

Cuando la gente se refiere a energía térmica en forma de ondas electromagnéticas, están hablando de radiación. El calor radiante generalmente se genera pasivamente, lo que significa que no puedes bajar o subir directamente la temperatura por radiación.

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

Al mismo tiempo, también es el canal por el que probablemente deberías preocuparte más. Es porque las temperaturas del PCB también se ven afectadas por la energía térmica.

Cuando se trata de temperatura, nada es verdaderamente insignificante. Piensa en qué pasaría si un avión se moviera solo un grado fuera de curso. Si esto sucede, aterrizará en una ubicación diferente a la planeada, sin importar lo corta que sea la distancia.

Las temperaturas del PCB funcionan de la misma manera. Si un PCB necesita estar a una temperatura de 30 grados Celsius para funcionar óptimamente pero se mantiene a 32 grados por mucho tiempo, los resultados no serán deseables.

Aunque no hay forma de micromanagear el calor radiante directamente, es posible hacerlo indirectamente. Estar en un entorno con temperatura constante al construir y fabricar PCBs es una forma de hacerlo.

Convección

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

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

"Cocinar" también ocurre cuando se trata de materiales de PCB, y al igual que es esencial conocer tus temperaturas al preparar comida en una cocina, también es necesario conocer tus temperaturas 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 el rayo, y el disipador de calor es líquido o metálico.

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

3. Tolerancia de temperatura del PCB

Los fabricantes de PCB también tienen problemas con componentes sobrecalentados en PCBs porque no se han tomado el tiempo para aprender qué tipos de temperaturas pueden soportar los materiales.

Solo saber esto y hacer una lista es algo que cada fabricante debería hacer. Mantener una lista a mano mostrando qué tan caliente puede llegar 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 Celsius. Por tanto, al preparar un PCB con materiales FR-4, debes ser consciente de cualquier corriente que involucre este material que pueda exceder 110 grados Celsius.

Saber qué tipos de temperaturas pueden soportar los paneles de los PCBs que planeas fabricar es uno de los aspectos más críticos de micromanagear la temperatura de un PCB, pero también uno de los más pasados por alto.

4. Cómo medir la temperatura del PCB

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

Saber estas cosas te ayudará a micromanagear tu temperatura general del PCB. Otra cosa que es bueno saber es cómo medir la temperatura del PCB.

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

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

Hay algunas cosas que necesitas identificar antes de medir la temperatura del PCB de esta manera. Estas son la fuente de calor principal y el sensor de temperatura. Es cómo se genera la mayor parte del calor y donde ocurre la mayor parte de las corrientes.

Lo siguiente es encontrar el pin GND de la fuente de calor. Generalmente está conectado al sustrato de la fuente de calor.

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

• Usar un plano de tierra común entre el sensor de temperatura y la fuente de calor.
• Conectar los pines GND de todos los sensores de temperatura al plano de tierra de la fuente de calor.
• Mantener el sensor de temperatura y la fuente de calor razonablemente cerca el uno del otro en el PCB.

Hacer esto te permitirá rastrear con precisión y consistencia la temperatura global del PCB y la fuente de calor principal.

5. Resultados causados por temperatura excesiva del PCB

Saber cómo medir las temperaturas del PCB con precisión y adecuadamente es una cosa. Pero, ¿qué pasa cuando los componentes y materiales de un PCB se calientan demasiado?

Las temperaturas excesivas destruirán la integridad de la capa.

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

Los PCBs no son diferentes. Las capas del PCB son sensibles a las temperaturas. Las temperaturas excesivas deformarán la longitud, anchura y espesor de cualquier capa de PCB si no se micromanagean.

Volviendo al ejemplo de convección en el capítulo 2, esto es similar a dejar comida en el microondas por demasiado tiempo, causando que el alimento dentro explote.

Algo similar ocurre 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 y cambiarán la forma de las líneas de transición en estos materiales de circuito. Cuando esto ocurre, cambiará las dimensiones de los materiales de circuito mismos.

Resultará en pérdidas directas, distorsión y cambios de frecuencia en materiales de circuito.

Los materiales se expanden a diferentes velocidades.

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

La superficie de un PCB está compuesta por capas dieléctricas o capas de metal conductor. Estas capas se expanden a diferentes límites a diferentes velocidades. Estas diferencias no son solo separadas entre dieléctrico y conductor. Ninguna capa dieléctrica o conductora se crea igual.

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

La soldadura de placa requiere diferentes temperaturas.

La soldadura y el soldado son habilidades necesarias para cualquiera que desee producir, probar y fabricar PCBs.

Saber qué tipo de temperaturas trabajar cuando se suelda es algo que cualquiera en una empresa de fabricación de PCB necesita saber, incluso si no están directamente involucrados en la soldadura de materiales.

6. Elegir los materiales PCB adecuados

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

El material más común para una placa de PCB se llama FR-4. Cualquiera que esté comenzando en WellPCB. Te proporcionaremos un servicio integral y productos de alta calidad. Puedes enviarnos los documentos que necesitas fabricar y obtener una cotización inmediata. ¿Qué esperamos? Tenemos diez años de fabricación de PCB o quienes quieran minimizar riesgos deberían elegir este material. Un hilo común sobre materiales FR-4 es que resisten bien las temperaturas.

Dos otros materiales no son tan comunes como FR-4, y estos son poliamida y RF. Aunque estos dos no resisten las temperaturas como FR-4, tienen otras propiedades que los materiales FR-4 no tienen.

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

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

7. Métodos para reducir la temperatura del PCB

Finalmente, es hora de explorar formas de reducir las temperaturas del PCB. Estos pueden aplicarse a cualquier material de cualquier PCB.

Disipadores de calor

Las piezas, materiales y componentes de PCBs todos generan calor. Un disipador de calor adecuado disipará este calor, permitiendo que el calor sea micromanageado.

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 completamente terminado o parte de un WellPCB, te proporcionaremos un servicio integral y productos de alta calidad. Puedes enviarnos los documentos que necesitas fabricar y obtener una cotización inmediata. ¿Qué esperamos? Tenemos diez años de fabricación de PCB dispositivos; el propósito de un ventilador de refrigeración es permitir que el aire caliente salga del dispositivo mientras deja entrar aire fresco.

Placas más gruesas requieren más potencia para alcanzar altas temperaturas.

El espesor de la placa es uno de los temas más confusos que enfrentan los fabricantes al tratar con temperaturas de PCB.

Mientras que las placas más gruesas requieren más potencia para alcanzar temperaturas más altas, cuanto más completa es una placa, menos resiste. Puede ralentizar la temperatura. Esta anomalía permite otro método de controlar las temperaturas del PCB.

Consideraciones de integración de heat pipes

 

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

También es cierto al micromanagear la temperatura del PCB, ya que los líquidos involucrados en la producción de PCB pueden absorber calor, evaporarse, luego condensarse de nuevo a líquido.

Este tipo de proceso te permite continuar trabajando con cualquier material y componente que necesites mientras al mismo tiempo micromanageas las temperaturas involucradas automáticamente.

Conclusión y resumen

Si posees una aguda atención al detalle y estás bien informado, no es difícil entender las causas y soluciones alrededor de la temperatura del PCB. Información adicional puede encontrarse en los archivos de artículos de WellPCB también.

Hay muchas cosas que aprender cuando se trata de micromanagear las temperaturas del PCB, y la clave para hacer esto es ser paciente y constante. Dominar el arte de gestionar las temperaturas del PCB lleva tiempo, y guías como esta están diseñadas para ahorrar mucho de ello.

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