Solución al sobrecalentamiento: Técnicas de disipación de calor en PCB

Por qué el sobrecalentamiento de las placas de circuito impreso es un problema importante en electrónica

El continuo desarrollo de la electrónica moderna de vanguardia ha llevado su tamaño y capacidad a niveles sin precedentes, lo que introduce nuevos problemas como la gestión del calor de los componentes apiñados. El sobrecalentamiento de las placas de circuito impreso (PCB) es más que un inconveniente; es un problema angustioso que afecta al rendimiento, la fiabilidad y la durabilidad de los dispositivos. Todos los diseñadores y fabricantes de productos electrónicos deben conocer los fundamentos de la gestión térmica y las estrategias más refinadas de gestión del calor si quieren asegurarse de que los dispositivos siguen funcionando en condiciones de calor extremo. Gestionar adecuadamente el calor es esencial para que los dispositivos no sufran daños permanentes.

Fundamentos de la gestión térmica de las placas de circuito impreso

En términos sencillos, la gestión térmica en las placas de circuito impreso es la transferencia ideal del calor de los componentes generadores de calor. como los reguladores de tensión. Los componentes electrónicos, al realizar sus tareas, consumen constantemente energía en resistencia eléctrica para generar calor. Por poco que sea, siempre se creará calor como resultado del uso de energía. Por ejemplo, los microcontroladores medios disiparán entre dos y tres milivatios de energía y un par de vatios, mientras que los componentes y procesadores de alta potencia, los LED de potencia y los transistores son tan potentes que pueden generar calor del orden de decenas a cientos de vatios.

La placa de circuito impreso cumple una doble función, entre ellas la de conductor térmico. Sin embargo, esta función no se realiza de manera uniforme y depende en gran medida de los materiales y el diseño elegidos. El calor producido por los componentes debe trasladarse a través de la placa de circuito impreso con la distribución térmica adecuada entre sus capas y, a continuación, disiparse en el entorno. Los dos modos de transferencia térmica son la conducción desde los conductores, la transferencia por convección al fluido o aire circundante y la emisión por radiación de ondas que descargan mucho calor. Un control y una gestión eficaces de la energía térmica tratan de mejorar la eficacia de este encaminamiento de la energía térmica en los componentes, de modo que la temperatura de éstos se mantenga dentro de sus límites durante el funcionamiento. En las aplicaciones comerciales, este límite se sitúa entre 0 °C y 70 °C, pero suele ser mucho más estricto en el caso de la electrónica de alta fiabilidad o especializada.

Consecuencias de una disipación térmica inadecuada: Rendimiento, fiabilidad y vida útil

La falta de atención a la "disipación del calor" en las placas de circuito impreso puede tener numerosas repercusiones negativas de gran alcance en un dispositivo electrónico.

• Problemas de rendimiento: Con el aumento de temperatura de un dispositivo semiconductor, las características eléctricas también tienden a cambiar. Esto significa que la velocidad de conmutación de los transistores puede disminuir, lo que provocaría un aumento del tiempo de procesamiento y una reducción del rendimiento del sistema. En el caso de los circuitos analógicos, el aumento de temperatura puede dar lugar a señales de ruido y deriva que disminuyen la integridad de la señal. Un procesador diseñado para funcionar a 3 GHz experimentará una disminución de entre 10% y 15% por cada 10 °C de aumento de la temperatura óptima.
• Menor fiabilidad: El calor elevado puede aumentar la velocidad de casi todas las reacciones químicas de un dispositivo, lo que provoca un envejecimiento precoz y un mayor índice de fallos. Los estudios indican que, según las estimaciones, la tasa de fallos de muchos componentes electrónicos se multiplica por dos por cada 10 °C de aumento de la temperatura. La ecuación de Arrhenius es la que mejor describe la relación entre la temperatura y la vida útil del componente; en la práctica, estos componentes fallan con frecuencia. Un condensador electrolítico podría tener una vida útil de 10.000 horas a 85°C, pero a un calor constante de 105°C, podría llegar al punto de fallo mucho más rápido.
• Vida útil acortada: Podemos observar el término deterioro acumulativo, que se refiere a una abrasión del rendimiento, la fiabilidad y la vida útil de un dispositivo electrónico. Se puede decir que los dispositivos siempre tienen una vida útil limitada. Los componentes que están expuestos a altas temperaturas durante largos periodos de tiempo tienen una alta probabilidad de fallar. Una vez que esto ocurre, el dispositivo queda inservible. Este escenario no sólo conlleva mayores costes de reparación en garantía y menores índices de satisfacción del cliente, sino que también supone un gran reto para muchos sectores en los que la vida útil de un dispositivo es crítica, como el aeroespacial, el médico y los sistemas de control industrial.
• Mayor consumo de energía: Cuando el aparato se sobrecalienta, invariablemente consume más energía. Hay que gestionar este calor excesivo, y los sistemas de refrigeración tienen que trabajar horas extras. Este es el caso de la mayoría de los dispositivos recargables que dependen de pilas para su alimentación, porque la gestión del calor tiene una consecuencia directa en la vida útil de las pilas.
• Cuestiones de seguridad: A menos que se tomen medidas activas, el sobrecalentamiento puede convertirse en un peligro y, en casos extremos, provocar un desbordamiento térmico o incendios en materiales inflamables.

Lo anterior sugiere que el diseño de cualquier placa de circuito impreso debe incorporar técnicas eficaces de disipación del calor. Dichas técnicas deben garantizar, como mínimo, que los productos electrónicos mantengan la funcionalidad, durabilidad y seguridad requeridas.

Métodos avanzados de disipación del calor

Para resolver el problema del sobrecalentamiento de las placas de circuito impreso, se han desarrollado muchos métodos sofisticados y avanzados de disipación del calor que se utilizan habitualmente en el proceso de diseño electrónico. Estos métodos pueden agruparse en dos categorías: los que incorporan una conducción mejorada del calor desde los componentes y los que incluyen radiación y convección del calor al espacio ambiente. Un diseño térmico global suele emplear simultáneamente varias técnicas de control del calor.

Implantación de disipadores de calor

Los disipadores de calor, por el contrario, son dispositivos pasivos que funcionan de forma más avanzada. Los disipadores son un dispositivo de gestión térmica cuyo objetivo es elevar la superficie disponible para la transferencia de calor al aire circundante. Casi siempre están construidos con materiales de alta conductividad, como el aluminio o el cobre, y tienen diferentes formas y tamaños, normalmente con aletas para aumentar la superficie.

Todos los componentes electrónicos emisivos que dispersan energía experimentan un aumento de temperatura durante su funcionamiento. En el caso de la generación de calor, se utiliza un disipador de calor para recibir energía de un dispositivo y aumentar la cantidad de energía disipada en el medio circundante. Estos dispositivos maximizan la superficie de contacto mediante el uso de superficies con aletas y soportan el flujo de aire de refrigeración que puede ser forzado a través del disipador de calor o circular de forma natural alrededor del mismo. Su eficacia depende de los materiales, la superficie, la configuración de las aletas y la resistencia térmica de la interfaz entre el componente y el disipador de calor. El uso de materiales de interfaz térmica -MIT, como la pasta térmica y las almohadillas- fija adecuadamente la interfaz y reduce la resistencia térmica de la interfaz para una transferencia de calor adecuada. Por ejemplo, un disipador térmico de aluminio con una superficie mayor de 50 cm² puede enfriar pasivamente varios vatios de calor por convección natural, lo que supone una cantidad significativamente superior a la de una pieza caliente sin disipador térmico. En aplicaciones de alta potencia, se necesitan disipadores más grandes y con una división más fina.

Utilización de vías térmicas para mejorar el flujo de calor

Las vías térmicas consisten en un orificio pasante chapado relleno de un material conductor térmico, normalmente cobre, que sirve como vía para la transferencia de calor en dirección vertical de una capa a otra de la placa de circuito impreso. Cuando se emplean en placas de circuito impreso multicapa, son fundamentales para trasladar el calor de los dispositivos montados en superficie a los planos de cobre interiores, que a su vez distribuyen el calor por toda la placa.

Para maximizar el rendimiento de las vías térmicas, deben colocarse estratégicamente bajo los componentes que generan calor. El número de vías térmicas necesarias depende de la conductividad térmica del material de la placa de circuito impreso y de la cantidad de calor que se disipa. Por ejemplo, un conjunto denso de vías térmicas, por ejemplo de 10 a 20, con un diámetro de 0,3 mm, puede reducir drásticamente el valor de la resistencia térmica entre un componente de superficie y un plano de cobre interior. Las políticas eficaces de gestión térmica deben centrarse en optimizar la cantidad y la configuración de estas vías térmicas.

Optimización de trazas y planos de cobre para la conducción del calor

En una estructura de PCB, el cobre es el mejor conductor térmico y, debido a su alta conductividad térmica, puede emplearse estratégicamente para aumentar la velocidad de disipación del calor, proporcionando la mejor disipación térmica en aplicaciones de alta potencia. Además de la reducción de la resistencia eléctrica, un aumento de la anchura y el grosor de las trazas de cobre que transportan corrientes elevadas mejora tanto la resistencia de la traza de cobre como su capacidad para disipar el calor de los componentes. Además, los planos de cobre de gran superficie también tienen la capacidad de propagar el calor, especialmente los planos de tierra y de potencia, ya que están directamente sobre la placa de circuito impreso y pueden calentar los componentes del plano en una amplia zona.

Reservar capas enteras o grandes porciones de capas para planos de cobre en aplicaciones de alta potencia puede ayudar mucho a la gestión térmica. La conductancia térmica del cobre es de casi 400 W/m-K, muy superior a la del FR-4 común, que ronda los 0,2 W/m-K debido a su baja conductividad térmica. Esta diferencia subraya la necesidad de utilizar cobre para la disipación del calor y debería tenerse en cuenta como parte de su estrategia de diseño térmico. Por ejemplo, multiplicar por dos el grosor de la traza de cobre de un lado reducirá la resistencia térmica en aproximadamente un 50%.

Tecnología de tubos de calor y su aplicación en placas de circuito impreso

El principio de un tubo de calor se basa en la transferencia de calor mediante el proceso secuencial de evaporación y condensación del fluido de trabajo en un tubo sellado. Un tubo de calor se define como un dispositivo que transfiere calor con una pérdida mínima de temperatura a distancias considerables. En el pasado, los usos eran bastante limitados, por ejemplo, la refrigeración de ordenadores portátiles, la difusión de los tubos de calor instalados en placas de circuito impreso que requieren una potencia considerable es cada vez más común, ya que los tubos de calor se integran fácilmente y son una de las mejores estrategias de gestión térmica disponibles en la electrónica moderna.

La refrigeración activa de las placas de circuito impreso (PCB) puede incluir la integración de tubos de calor en la PCB, la fijación directa a los componentes de la PCB o la aplicación de tubos de calor miniaturizados. Los tubos de calor son muy eficaces para trasladar flujos concentrados de calor desde un punto caliente a una zona diseñada donde pueda disiparse el calor. Esto es posible gracias a la construcción miniaturizada del tubo, que proporciona una conductividad térmica considerablemente mayor que el cobre sólido.

Por ejemplo, la conductividad térmica eficiente de los tubos de calor pequeños puede ser varios órdenes superior a la del cobre sólido. Así pues, los tubos de calor pequeños son ideales para cualquier tipo de dispositivo electrónico con altos niveles de generación de calor concentrado.

Utilización de ventiladores para convección forzada de aire

Los ventiladores de refrigeración funcionan como dispositivos activos de gestión térmica que mueven dinámicamente el aire a través de la placa de circuito impreso y los disipadores de calor, mejorando la transferencia de calor por convección. Son especialmente eficaces en aplicaciones en las que los métodos de refrigeración pasiva resultan insuficientes para mantener la temperatura de los componentes dentro de límites aceptables, y constituyen una de las estrategias más utilizadas para gestionar el calor en diversos dispositivos de la industria electrónica.

La configuración del ventilador viene determinada por el volumen de calor a expulsar, el espacio disponible para el ventilador, el caudal de aire necesario y el nivel de ruido admisible. Las características del caudal de aire y de la presión difieren en los distintos ventiladores: ventiladores axiales y ventiladores, cada uno de los cuales proporciona distintos tipos de caudal y presión de aire.

Los ventiladores radiales, también conocidos como sopladores, se suelen utilizar cuando es necesario dirigir el flujo de aire a través de un punto específico o de un volumen reducido, a diferencia de los ventiladores radiales. ventiladores axialesque proporcionan un mejor flujo de aire general a través de la placa de circuito impreso. Por ejemplo, la capacidad de un disipador de calor para disipar calor puede aumentar en 50-100% cuando la velocidad del aire que fluye sobre el disipador de calor se incrementa de 1m/s a 3m/s.

Estrategias de colocación de componentes para mejorar la gestión térmica

La colocación estratégica de los componentes en la placa de circuito impreso con respecto a los sistemas de refrigeración es un área que requiere innovación. Los diseñadores pueden mejorar la disipación del calor examinando detenidamente las propiedades térmicas de los distintos sistemas, sus posiciones dentro del sistema y los métodos de refrigeración disponibles.

• Componentes de alta potencia separados: Los componentes que producen calor deben situarse a cierta distancia unos de otros para evitar puntos elevados de temperatura localizada y reducir el acoplamiento térmico.
• Orientar los componentes para el flujo de aire: En los sistemas refrigerados por aire forzado, los componentes deben colocarse de forma que permitan la refrigeración unidireccional por aire de la mayoría de las superficies apantalladas. Un ejemplo es orientar los disipadores de calor con aletas en paralelo a la dirección del flujo de aire de refrigeración.
• Componentes sensibles al calor: Los componentes sensibles a la refrigeración deben colocarse fuera de las zonas de componentes potentes y dentro de las regiones refrigeradas.
• Uso de los bordes del tablero: Los componentes de alta potencia pueden montarse en los bordes de la placa de circuito impreso para que el calor se desplace hacia el chasis o la caja.
• Simetría térmica: Intentar equilibrar la distribución de los dispositivos que producen calor en una placa de circuito impreso puede ayudar a reducir la temperatura de zonas localizadas en una placa de circuito impreso debido a la disminución de los puntos calientes y a la mejora del estándar de temperatura del aire en la placa de circuito impreso.

Mejores prácticas para aplicar técnicas de disipación de calor en placas de circuito impreso

Dependiendo de la fase del proceso de diseño, la gestión del calor en las placas de circuito impreso (PCB) debe realizarse de forma sistemática, desde la identificación del problema hasta la resolución de los problemas de gestión del calor.

Análisis térmico y simulación en fases tempranas

En las primeras fases del ciclo de diseño, debe realizarse una evaluación y una simulación para mitigar cualquier riesgo de sobrecalentamiento y probar la eficacia de otras técnicas de control del calor antes de construir cualquier prototipo físico. Los programas que emplean procesos como el análisis de elementos finitos (FEA), que simulan cómo genera calor una placa de circuito impreso y cómo se transmite el calor en su interior, permiten a los ingenieros mejorar la colocación de los componentes, las secciones de refrigeración o los ventiladores de refrigeración. Poder corregir estos problemas antes de que el producto pase a la fase posterior de desarrollo ahorra muchos recursos y tiempo.

Consideraciones para distintos entornos de aplicación

Las condiciones de funcionamiento de un dispositivo electrónico influyen mucho en la gestión térmica estrategias que deben adoptarse. Los dispositivos que funcionan a altas temperaturas o en espacios cerrados que limitan el flujo de aire necesitarán soluciones de refrigeración más complejas que los que funcionan a bajas temperaturas y en entornos bien ventilados.

Además, la altitud, la humedad y la presencia de polvo y otros contaminantes también pueden influir en el rendimiento térmico de los dispositivos. Estos factores de estancia deben equilibrarse a la hora de elegir y diseñar los métodos de disipación térmica de las placas de circuito impreso. Por ejemplo, un dispositivo destinado a uso exterior en climas cálidos puede necesitar ventiladores de refrigeración más potentes y disipadores de calor más grandes en comparación con el mismo dispositivo utilizado en condiciones de interior con aire controlado.

Combinar varias técnicas para lograr la máxima eficacia

En la mayoría de los casos, el mejor enfoque para lograr una gestión térmica eficaz es la adopción de varias técnicas. Por ejemplo, la combinación de un disipador de calor en un componente de alta potencia, así como un disipador de calor y vías térmicas estratégicamente colocados, junto con la refrigeración por aire forzado en un componente de alta potencia, enfriarán el dispositivo de forma mucho más eficiente en comparación con el uso de una sola técnica.

El método o técnicas de refrigeración que se utilicen dependerán de los parámetros específicos de la aplicación, como el calor producido, la superficie disponible, el coste en términos de inversión y la fiabilidad necesaria.

Consejos de ACDCFAN: ¿Cuándo se debe considerar el uso de un ventilador de refrigeración en los diseños de PCB?

En la mayoría de los casos, el uso de un ventilador con un diseño de PCB es un compromiso entre la función, el coste, el ruido y la fiabilidad del sistema. Estos son algunos signos importantes que pueden sugerir la necesidad de un ventilador activo:

• Disipación de alta potencia: In caso de que uno o más componentes montados en la placa disipen mucha potencia (por ejemplo, >10W), la utilización exclusiva de refrigeración pasiva, como disipadores de calor, no garantizará temperaturas de funcionamiento seguras, sobre todo si el entorno es compacto.
• Altas temperaturas ambiente: Cuando es necesario que el dispositivo funcione en regiones con temperaturas ambiente elevadas (por ejemplo, >40°C), la diferencia de temperatura que impulsa la transferencia pasiva de calor es inferior a la necesaria, por lo que se requiere una refrigeración activa.
• Convección natural limitada: Estos sistemas encapsulados con ventilación deficiente y flujo de aire restringido pueden provocar la acumulación de calor, lo que puede hacer necesaria la refrigeración por aire forzado que proporciona un ventilador.
• Requisitos de rendimiento estrictos: Si la aplicación en cuestión requiere que determinados procesadores o GPU funcionen constantemente al máximo rendimiento, la refrigeración activa puede ayudar a garantizar temperaturas de funcionamiento óptimas y evitar las consecuencias del estrangulamiento térmico.
• Alta densidad de componentes: Las placas de circuito impreso con montaje denso pueden acumular grandes cantidades de calor, lo que dificulta el control de la temperatura con métodos de refrigeración pasiva.
• Problemas de fiabilidad: La refrigeración activa puede ayudar a que los componentes importantes duren más reduciendo la temperatura de funcionamiento. Como resultado, es ideal para aplicaciones que necesitan fiabilidad a largo plazo.

Técnicas de refrigeración pasivas frente a activas

Las estrategias de gestión térmica empleadas en las placas de circuito impreso pueden dividirse en métodos pasivos y activos, y cada uno de ellos contribuye de forma diferente a la gestión térmica global de los dispositivos electrónicos avanzados:

En la refrigeración pasiva, el calor se extrae sin energía externa. Algunos ejemplos son los disipadores de calor, las vías térmicas, la optimización de la capa de cobre y la selección del material de las placas de circuito impreso. Estas técnicas suelen ser menos complicadas, tienen mayor fiabilidad porque no tienen piezas móviles y no requieren energía adicional. Por otro lado, su potencial de refrigeración es limitado debido al método pasivo de extracción de calor. La colocación estratégica de componentes activos en una placa de circuito impreso también puede considerarse una técnica de refrigeración pasiva, ya que la colocación de los componentes se realiza de forma que se minimicen las interferencias térmicas entre componentes vecinos.

Las técnicas activas de refrigeración son aquellas que utilizan un dispositivo externo alimentado por energía que trabaja para alejar el calor de la placa de circuito impreso. El tipo más utilizado de estos métodos implica el uso de ventiladores de refrigeración para forzar el aire sobre los disipadores térmicos y la superficie de la PCB. Otros ejemplos de métodos activos que pueden emplearse son los sistemas de refrigeración líquida, que tienen una mayor capacidad de refrigeración pero suelen ser más intrincados y costosos. Aunque tanto los métodos activos como los pasivos tienen sus propias ventajas, los métodos de refrigeración activa permiten mejorar drásticamente la disipación del calor, lo que los hace mucho más beneficiosos para aplicaciones que utilizan electrónica de potencia o en zonas donde la convección natural es escasa o nula. Sin embargo, estas soluciones activas presentan algunas desventajas, como la introducción de sonidos no deseados, el consumo de energía adicional y una vida útil limitada en función de la fiabilidad de sus componentes activos.

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Conclusión

Las técnicas de disipación del calor de las placas de circuito impreso ya no son consideraciones opcionales. Se han vuelto indispensables para mejorar la fiabilidad y el superrendimiento de los dispositivos electrónicos. Los riesgos que provocan el sobrecalentamiento y la erosión del producto pueden resolverse conociendo a fondo la gestión térmica y aplicando sofisticados métodos de refrigeración, optimizando la disposición de los componentes y siguiendo las mejores prácticas.

Tanto si prefiere las soluciones de refrigeración pasiva como las soluciones de refrigeración activa más agresivas que ofrecen los ventiladores, contar con un enfoque de gestión térmica coherente es clave. Cuando diseñe componentes electrónicos, no olvide que la cooperación con proveedores de soluciones de refrigeración experimentados, como ACDCFAN, le equipará y ayudará a resolver los problemas de disipación térmica de su PCB.