Dominar el diseño térmico de PCB: Principios esenciales para la fiabilidad

Se estima que más de la mitad de los fallos de componentes electrónicos se deben a estrés térmico excesivo. En los últimos años, la proliferación de circuitos integrados de gran y ultra gran escala (IC) y la tecnología de montaje superficial (SMT) han impulsado la miniaturización, alta densidad y alta fiabilidad. En consecuencia, los sistemas electrónicos exigen un rendimiento térmico cada vez mayor. La gestión térmica, inherente a los productos electrónicos, juega un papel crítico en el rendimiento y funcionamiento de los sistemas.

Como columna vertebral de los dispositivos electrónicos, un diseño racional de PCB (placas de circuito impreso) garantiza su alto rendimiento. Si el diseño térmico falla parcial o totalmente, los dispositivos sufrirán daños o fallos. La creciente integración de módulos y el uso masivo de ICs y módulos multi-chip (MCM) aumentan la densidad de montaje y, por tanto, la densidad de flujo de calor en las PCB. Las PCB de alta calidad no solo derivan de un layout y enrutado precisos, sino también de una alta fiabilidad térmica. Por tanto, implementar reglas y análisis térmicos exhaustivos es fundamental. Este artículo presenta principios de diseño térmico y reglas prácticas para diseñadores electrónicos.

Principios básicos del diseño térmico

El diseño térmico se basa en la teoría de transferencia de calor y mecánica de fluidos. Donde hay diferencia de temperatura, hay transferencia de calor de zona caliente a fría. La transferencia ocurre por conducción, convección y radiación.

Fórmula de transferencia de calor: Φ = K·A·Δt, donde Φ = cantidad de calor transmitido (W), K = coeficiente de transmisión (W/(m²·K)), A = área de transmisión (m²), Δt = diferencia de temperatura entre fluido caliente y frío (K).

El diseño térmico de PCB se define como el proceso de minimizar la resistencia térmica desde la fuente de calor al espacio de disipación mediante medidas de refrigeración, o controlar la densidad de flujo térmico dentro de rangos aceptables. Para garantizar la fiabilidad, se deben tomar medidas válidas desde:

• Refrigeración natural: sin energía externa. Incluye conducción, radiación y convección natural.
• Refrigeración por aire forzado: flujo de aire a través de ventilador o aire ram, transfiriendo calor a disipador.
• Refrigeración por fluido: dos métodos:
  1. Directa: componentes sumergidos en refrigerante.
  2. Indirecta: sin contacto directo; refrigeración mediante intercambiador o placa fría.
• Refrigeración por evaporación: actualmente el método de conducción más eficaz. Transferencia por ebullición del medio refrigerante.
• Otras medidas: heat pipes, placas frías, refrigeración termoeléctrica.

Según condiciones prácticas (entorno de operación, densidad de flujo térmico, densidad de potencia, área, volumen, disipadores, etc.), se deben aplicar medidas adecuadas para asegurar distribución uniforme de temperatura y elevación razonable dentro de límites permitidos.

Reglas de diseño térmico

El objetivo general es controlar la temperatura de todos los componentes en la PCB, asegurar estabilidad eléctrica, evitar deriva térmica de parámetros, reducir tasa de fallo base y mantener la temperatura de operación por debajo del máximo permitido. Se analizan tres perspectivas: uso de componentes, diseño térmico de PCB, y ensamblaje/layout.

a. Uso de componentes electrónicos

1. Control de temperatura de trabajo de componentes

La temperatura es el primer factor que afecta rendimiento y tasa de fallo. La temperatura máxima permitida y el consumo de potencia deben determinarse según el nivel de fiabilidad requerido y la tasa de fallo distribuida. La Tabla 1 muestra temperaturas máximas superficiales permitidas desde la perspectiva de fiabilidad térmica.

Componente	Temp. máx. sup. /°C	Componente	Temp. máx. sup. /°C
Transformador, choke	95	Condensador cerámico	80–85
Resistencia película metálica	100	Condensador cerámico-vidrio	200
Resistencia película carbón	120	Transistor silicio	150–200
Resistencia película paladio	200	Transistor germanio	70–90
Resistencia bobina prensada	150	Tubo vacío	15–200
Resistencia impresa	85	CMOS encapsulado plano hermético	125
Resistencia bobina pintada	225	Ceramic DIP, black porcelain DIP	/
Condensador papel	75–85	CMOS DIP plástico	85
Condensador película	60–130	TTL IC pequeña escala	25–125
Condensador mica	70–120	TTL IC media escala	70–85

2. Control de temperatura de unión (junction)

La temperatura de unión depende de disipación propia, resistencia térmica y temperatura ambiente. Medidas para mantenerla en rango permitido:

• Seleccionar componentes con baja resistencia térmica interna.
• Usar derating para reducir elevación de temperatura.
• Circuitos con componentes de potencia requieren diseño térmico elaborado siguiendo guías de manuales estándar.

3. Diseño de derating en uso de componentes

El derating permite operar componentes por debajo de parámetros nominales (potencia, voltaje, corriente), reduciendo drásticamente elevación de temperatura y tasa de fallo.

b. Reglas de diseño térmico de PCB

• El montaje vertical de PCB favorece la disipación; distancia entre placas ≥ 20 mm.
• Material sustrato: elegir material anti-alta temperatura y alta conductividad. Para alta potencia/densidad, sustratos de aluminio o cerámica por su baja resistencia térmica (PCBCart fabrica estos PCB).
• Estructura multicapa: óptima para disipación térmica.
• Mejora de conducción: usar placas disipadoras. Núcleo metálico en multicapa para excelente disipación entre placa, soportes y dispositivos. Recubrimientos protectores y encapsulantes aceleran transmisión térmica.

• Busbar: excelente radiador, aumenta anti-interferencia.
• Espesor lámina metálica: aumentar espesor; conductores internos con lámina de gran área. Ampliar ancho de pistas de tierra: gran área mejora anti-interferencia y disipación.

c. Ensamblaje de componentes y layout de PCB

El layout es esencial para el rendimiento térmico, especialmente en placas verticales. La dirección de ensamblaje debe seguir características de flujo del refrigerante para mínima resistencia. Reglas:

1. Convección libre: colocar ICs/componentes en disposición longitudinal (Fig. 2). Aire forzado: disposición transversal (Fig. 3).
2. Clasificar componentes por productividad térmica y resistencia. Baja productividad/resistencia (transistores pequeña señal, IC pequeña escala, electrolíticos) en entrada (upstream). Alta productividad/resistencia (transistores potencia, IC gran escala) en salida (downstream). Periferia de amplificadores pequeña señal: componentes con baja deriva térmica. Condensadores de medio líquido lejos de fuentes de calor.
3. Dirección horizontal: componentes alta frecuencia junto a borde PCB para minimizar ruta térmica. Vertical: cerca de parte superior para reducir influencia en otros componentes.
4. Componentes sensibles a temperatura en zona más fría (ej. fondo del producto). Nunca encima de componentes generadores de calor; aislarlos o alejarlos.
5. Mayor consumo/potencia cerca de mejor zona de disipación. Nunca en esquinas/bordes sin disipadores. Resistencias de potencia: componentes grandes con espacio suficiente para disipación.
6. Distribuir potencia uniformemente en PCB para evitar puntos calientes concentrados. Evitar áreas de potencia extremadamente alta que rompan operación del circuito.
7. Considerar ruta de flujo de aire en diseño; evitar grandes espacios vacíos al colocar componentes.
8. Tecnología de ensamblaje térmico: >50 % calor de ICs/microprocesadores se transmite a PCB por terminales. Agujeros de montaje con plateado metálico. Montaje directo en varilla/placa de conducción térmica para reducir resistencia.
9. Minimizar resistencia térmica en conexiones componentes alta disipación–PCB. Materiales de conducción térmica bajo chip; mantener disipación en zona de contacto.
10. Acortar terminales en conexiones componente-PCB. En componentes alta potencia, considerar conductividad del material de terminales. Preferir terminales con mayor sección transversal y más pines.

d. Otros requisitos

1. Encapsulado: tipo y tasa de conducción térmica. Proveer ruta de conducción sustrato-encapsulado; evitar huecos de aire.
2. Método técnico: componentes en ambas caras causan puntos calientes locales. Añadir cobre fino en pasta de soldadura eleva puntos de soldadura, aumenta espacio aire componente-PCB, mejora convección.
3. Agujeros de disipación: agujeros ciegos y pasantes aumentan área de disipación, reducen resistencia térmica y aumentan densidad de potencia.

Análisis térmico

Basado en transferencia de calor computacional, el análisis térmico usa métodos numéricos: diferencias finitas, elementos finitos, elementos de frontera. Incluye simplificación de módulos, modelos matemáticos, resolución ecuaciones no lineales, procedimientos de cálculo, medición y test de parámetros térmicos.

Como aspecto fundamental del diseño térmico, el análisis evalúa su importancia. El análisis térmico de PCB establece modelo térmico de componentes y parámetros de simulación según estructura, materiales, encapsulados y entorno de operación para estimar comportamientos térmicos. Debe realizarse en fase de concepto antes del layout y durante todo el proceso de diseño.

Se obtienen temperaturas de componentes, placa y flujo de aire, mostradas en gráficos de color, isotermas o datos específicos.

Con los resultados, se detectan problemas térmicos rápidamente, se toman medidas oportunas, se eliminan zonas de alta densidad térmica, se determinan rutas de conducción, se optimizan posiciones de componentes clave, forma y tamaño de disipadores, se maximiza eficiencia de agujeros y disipadores, y se define espacio entre placas y componentes.

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