Risolvere il surriscaldamento: Tecniche di dissipazione del calore dei PCB

Perché il surriscaldamento dei PCB è una delle principali preoccupazioni dell'elettronica

Il continuo sviluppo dell'elettronica moderna all'avanguardia ha portato le loro dimensioni e capacità a livelli senza precedenti, introducendo nuovi problemi come la gestione del calore per i componenti affollati. Il surriscaldamento delle schede a circuito stampato (PCB) è più di un inconveniente: è un problema preoccupante che influisce sulle prestazioni, sull'affidabilità e sulla durata dei dispositivi. Tutti i progettisti e i produttori di elettronica devono conoscere le basi della gestione termica e le strategie più raffinate per la gestione del calore, se vogliono assicurarsi che i dispositivi continuino a funzionare in condizioni di calore estremo. La corretta gestione del calore è essenziale per evitare che i dispositivi subiscano danni permanenti.

Fondamenti della gestione termica dei PCB

In termini semplici, la gestione termica dei circuiti stampati consiste nel trasferimento ideale del calore dai componenti che lo generano, come i regolatori di tensione. I componenti elettronici, nello svolgimento delle loro funzioni, consumano costantemente energia nella resistenza elettrica e generano calore. Non importa quanto poco, il calore verrà sempre creato come risultato dell'utilizzo di energia. Ad esempio, i microcontrollori medi dissipano da due a tre milliwatt di energia a un paio di watt, mentre i componenti e i processori ad alta potenza, i LED di potenza e i transistor sono così potenti da generare calore nell'ordine di decine o centinaia di watt.

Il PCB ha una duplice funzione, tra cui quella di conduttore termico. Tuttavia, questa funzione non viene svolta in modo uniforme e dipende in larga misura dai materiali e dal design scelto. Il calore prodotto dai componenti deve essere trasferito attraverso il PCB con un'adeguata distribuzione del calore tra gli strati e quindi dissipato nell'ambiente. Le due modalità di trasferimento termico sono la conduzione dai conduttori, il trasferimento per convezione al fluido o all'aria circostante e l'emissione di onde radianti che scaricano molto calore. Un controllo e una gestione efficaci dell'energia termica mirano a migliorare l'efficienza di questo percorso dell'energia termica nei componenti, in modo che la temperatura dei componenti rimanga entro i limiti durante il funzionamento. Per le applicazioni commerciali, questo limite è compreso tra 0 °C e 70 °C, ma di solito è molto più severo per l'elettronica ad alta affidabilità o specializzata.

Conseguenze di una dissipazione termica inadeguata: Prestazioni, affidabilità e durata di vita

La mancanza di attenzione alla "dissipazione del calore" dei circuiti stampati può avere numerosi effetti negativi di vasta portata su un dispositivo elettronico.

• Problemi di prestazioni: Con l'aumento della temperatura di un dispositivo a semiconduttore, anche le caratteristiche elettriche tendono a cambiare. Ciò significa che la velocità di commutazione dei transistor può diminuire, con conseguente aumento del tempo di elaborazione e riduzione delle prestazioni del sistema. Nel caso dei circuiti analogici, l'aumento della temperatura può portare a segnali di rumore e deriva che riducono l'integrità del segnale. Un processore progettato per funzionare a 3 GHz subirà un calo compreso tra 10% e 15% per ogni aumento di 10°C della temperatura ottimale.
• Affidabilità ridotta: Il calore elevato può aumentare la velocità di quasi tutte le reazioni chimiche in un dispositivo, portando così a un invecchiamento precoce e a un aumento del tasso di guasti. Gli studi indicano che per molti componenti elettronici si stima un tasso di guasti due volte superiore per ogni aumento di temperatura di 10°C. L'equazione di Arrhenius rappresenta al meglio la relazione tra la temperatura e la durata di vita dei componenti; in pratica, questi componenti si guastano spesso. Un condensatore elettrolitico potrebbe avere una durata di 10.000 ore a 85°C, ma con un calore costante di 105°C potrebbe raggiungere il punto di rottura molto più rapidamente.
• Durata di vita ridotta: Possiamo osservare il termine deterioramento cumulativo, che si riferisce all'abrasione delle prestazioni, dell'affidabilità e della durata di un dispositivo elettronico. Si può dire che i dispositivi hanno sempre una durata limitata. I componenti esposti a temperature elevate per lunghi periodi di tempo hanno un'alta probabilità di guastarsi. Una volta che ciò accade, il dispositivo diventa inutilizzabile. Questo scenario non solo comporta costi di riparazione in garanzia più elevati e tassi di soddisfazione dei clienti più bassi, ma rappresenta anche una grande sfida per molti settori in cui la vita utile di un dispositivo è fondamentale, come l'aerospaziale, il medicale e i sistemi di controllo industriali.
• Aumento del consumo energetico: Quando il dispositivo si surriscalda, consuma invariabilmente più energia. Questo calore eccessivo deve essere gestito e i sistemi di raffreddamento devono fare gli straordinari. Questo è il caso della maggior parte dei dispositivi ricaricabili che dipendono dalle batterie per l'alimentazione, perché la gestione del calore ha una conseguenza diretta sulla durata della batteria.
• Problemi di sicurezza: Se non si adottano misure attive, il surriscaldamento può diventare un pericolo e, in casi estremi, provocare fughe termiche o incendi di materiali infiammabili.

Quanto sopra suggerisce che la progettazione di qualsiasi PCB deve incorporare tecniche efficaci di dissipazione del calore. Tali tecniche devono, come minimo, garantire che i prodotti elettronici mantengano la funzionalità, la durata e la sicurezza richieste.

Metodi avanzati di dissipazione del calore

Per risolvere il problema del surriscaldamento dei circuiti stampati, sono stati sviluppati molti metodi sofisticati e avanzati di dissipazione del calore, comunemente utilizzati nel processo di progettazione elettronica. Questi metodi possono essere raggruppati in due categorie: quelli che incorporano una maggiore conduzione del calore dai componenti e quelli che includono la radiazione e la convezione del calore verso l'ambiente. Un progetto termico complessivo di solito impiega contemporaneamente diverse tecniche di controllo del calore.

Implementazione dei dissipatori di calore

I dissipatori di calore, invece, sono dispositivi passivi che funzionano in modo più avanzato. I dissipatori sono dispositivi di gestione termica il cui obiettivo è aumentare la superficie disponibile per il trasferimento del calore all'aria circostante. Sono quasi sempre costruiti con materiali ad alta conducibilità, come l'alluminio o il rame, e hanno forme e dimensioni diverse, di solito con alette per aumentare la superficie.

Tutti i componenti elettronici emissivi che disperdono energia subiscono un aumento di temperatura durante il funzionamento. Nel caso della generazione di calore, un dissipatore di calore viene utilizzato per ricevere energia da un dispositivo e aumentare la quantità di energia dissipata nel mezzo circostante. Questi dispositivi massimizzano la superficie di contatto attraverso l'uso di superfici alettate e supportano il flusso di aria di raffreddamento che può essere forzato o circolare naturalmente intorno al dissipatore. La sua efficienza dipende dai materiali, dall'area superficiale, dalla configurazione delle alette e dalla resistenza termica dell'interfaccia tra il componente e il dissipatore di calore. L'uso di materiali per l'interfaccia termica (TIM), come la pasta termica e i pad, consente di fissare adeguatamente l'interfaccia e di ridurre la resistenza termica dell'interfaccia per un corretto trasferimento di calore. Ad esempio, un dissipatore di calore in alluminio con una superficie maggiore di 50 cm² può raffreddare passivamente diversi watt di calore per convezione naturale, una quantità significativamente maggiore rispetto a un componente caldo senza dissipatore. Nelle applicazioni ad alta potenza, sono necessari dissipatori di calore più grandi e più finemente suddivisi.

Utilizzo di vialetti termici per migliorare il flusso di calore

I vias termici sono costituiti da un foro passante placcato e riempito con un materiale termicamente conduttivo, nella maggior parte dei casi rame, che funge da via per il trasferimento di calore in direzione verticale da uno strato all'altro del PCB. Se utilizzati in PCB multistrato, sono fondamentali per trasferire il calore dai dispositivi montati in superficie ai piani di rame interni, che lo diffonderebbero ulteriormente sulla scheda.

Per massimizzare le prestazioni dei vias termici, questi devono essere posizionati strategicamente sotto i componenti che generano calore. Il numero di vias termici necessari dipende dalla conduttività termica del materiale del PCB e dalla quantità di calore da dissipare. Ad esempio, una fitta serie di vias termiche, ad esempio 10-20, con un diametro di 0,3 mm, può ridurre drasticamente il valore della resistenza termica tra un componente di superficie e un piano di rame interno. Le politiche di gestione termica efficaci devono concentrarsi sull'ottimizzazione della quantità e della configurazione di questi vias termici.

Ottimizzazione delle tracce e dei piani di rame per la conduzione del calore

Nella struttura di un circuito stampato, il rame è il miglior conduttore termico e, grazie alla sua elevata conducibilità termica, può essere impiegato in modo strategico per aumentare la velocità di dissipazione del calore, fornendo la migliore dissipazione di calore nelle applicazioni ad alta potenza. Oltre alla riduzione della resistenza elettrica, un aumento della larghezza e dello spessore delle tracce di rame che trasportano correnti elevate migliora sia la resistenza della traccia di rame che la sua capacità di dissipare il calore dai componenti. Inoltre, anche i piani di rame di grande superficie hanno la capacità di diffondere il calore, in particolare i piani di massa e di alimentazione, poiché si trovano direttamente sopra il PCB e possono riscaldare i costituenti del piano su un'ampia area.

Riservare interi strati o ampie porzioni di strati ai piani di rame nelle applicazioni ad alta potenza può aiutare notevolmente la gestione termica. La conduttanza termica del rame è di quasi 400 W/m-K, molto superiore a quella del comune FR-4, che si aggira intorno a 0,2 W/m-K a causa della sua bassa conduttività termica. Questa differenza sottolinea la necessità di utilizzare il rame per la dissipazione del calore e dovrebbe essere considerata come parte della strategia di progettazione termica. Ad esempio, aumentando di due volte lo spessore della traccia di rame da un lato si riduce la resistenza termica di circa il 50%.

La tecnologia dei tubi di calore e la sua applicazione nei PCB

Il principio di un tubo di calore si basa sul trasferimento di calore attraverso il processo sequenziale di evaporazione e condensazione del fluido di lavoro in un tubo sigillato. Un tubo di calore è definito come un dispositivo che trasferisce calore con una minima perdita di temperatura su distanze considerevoli. In passato gli utilizzi erano piuttosto limitati, ad esempio per il raffreddamento dei computer portatili, ma la diffusione di heat pipe installate nei circuiti stampati che richiedono una potenza significativa sta diventando sempre più comune, poiché le heat pipe sono facilmente integrabili e rappresentano una delle migliori strategie di gestione termica disponibili nell'elettronica moderna.

Il raffreddamento attivo dei circuiti stampati (PCB) può comprendere l'integrazione di tubi di calore nel PCB, il fissaggio diretto ai componenti del PCB o l'applicazione di tubi di calore miniaturizzati. I tubi di calore sono estremamente efficaci nello spostare flussi concentrati di calore da un punto caldo a un'area progettata dove il calore può essere dissipato. Ciò è reso possibile dalla costruzione miniaturizzata del tubo, che comporta una conduttività termica notevolmente superiore a quella del rame solido.

Ad esempio, la conduttività termica efficiente dei tubi di calore di piccole dimensioni può essere di diversi ordini superiore a quella del rame solido. Pertanto, i tubi di calore di piccole dimensioni sono ideali per qualsiasi tipo di dispositivo elettronico con alti livelli di generazione di calore concentrato.

Utilizzo di ventole di raffreddamento per la convezione dell'aria forzata

Le ventole di raffreddamento funzionano come dispositivi di gestione termica attiva che muovono dinamicamente l'aria attraverso il PCB e i dissipatori di calore, migliorando il trasferimento convettivo del calore. Sono particolarmente efficaci nelle applicazioni in cui i metodi di raffreddamento passivo non sono sufficienti a mantenere le temperature dei componenti entro limiti accettabili e sono una delle strategie più utilizzate per gestire il calore in vari dispositivi dell'industria elettronica.

La configurazione del ventilatore è determinata dal volume di calore da espellere, dallo spazio disponibile per il ventilatore, dal flusso d'aria richiesto e dal livello di rumore consentito. Le caratteristiche del flusso d'aria e della pressione variano a seconda dei ventilatori: ventilatori assiali e ventilatori, ognuno dei quali fornisce diversi tipi di flusso d'aria e di pressione.

I ventilatori radiali, noti anche come ventilatori a soffiante, sono spesso applicati quando è necessario dirigere il flusso d'aria in un punto specifico o attraverso un volume limitato, a differenza di quanto avviene per i ventilatori a soffiante. ventilatori assialiche sono in grado di fornire un flusso d'aria generale sul PCB. Ad esempio, la capacità di un dissipatore di calore può aumentare di 50-100% quando la velocità dell'aria che scorre sopra il dissipatore di calore passa da 1m/s a 3m/s.

Strategie di posizionamento dei componenti per una migliore gestione termica

Il posizionamento strategico dei componenti sul PCB in relazione ai sistemi di raffreddamento è un'area che richiede innovazione. I progettisti possono migliorare la dissipazione del calore esaminando attentamente le proprietà termiche dei vari sistemi, la loro posizione all'interno del sistema e i metodi di raffreddamento disponibili.

• Componenti separati ad alta potenza: I componenti che producono calore devono essere collocati a una certa distanza l'uno dall'altro per evitare punti di temperatura localizzati elevati e ridurre l'accoppiamento termico.
• Orientare i componenti per il flusso d'aria: Per i sistemi raffreddati ad aria forzata, i componenti devono essere posizionati in modo da consentire il raffreddamento unidirezionale dell'aria per la maggior parte delle superfici schermate. Un esempio è l'orientamento dei dissipatori di calore alettati parallelamente alla direzione del flusso d'aria di raffreddamento.
• Componenti sensibili al calore: I componenti sensibili al raffreddamento devono essere posizionati lontano dalle aree dei componenti potenti e all'interno di aree raffreddate.
• Uso dei bordi della tavola: I componenti ad alta potenza possono essere montati sui bordi del PCB in modo che il calore possa essere spostato all'interno dello chassis o dell'involucro.
• Simmetria termica: Cercare di bilanciare la distribuzione dei dispositivi che producono calore su un PCB può aiutare a ridurre la temperatura di aree localizzate su un PCB grazie alla riduzione dei punti caldi e a migliorare lo standard di temperatura dell'aria sul PCB.

Migliori pratiche per l'implementazione delle tecniche di dissipazione del calore dei PCB

A seconda della fase del processo di progettazione, la gestione del calore sui circuiti stampati (PCB) deve essere effettuata in modo sistematico, a partire dall'identificazione del problema fino alla risoluzione delle sfide di gestione del calore.

Analisi e simulazione termica in fase iniziale

Nelle prime fasi del ciclo di progettazione, è necessario effettuare una valutazione e una simulazione per ridurre i rischi di surriscaldamento e testare l'efficienza di altre tecniche di controllo del calore prima di costruire qualsiasi prototipo fisico. I programmi che utilizzano processi come l'analisi degli elementi finiti (FEA), che simulano il modo in cui una scheda a circuito stampato genera calore e il modo in cui il calore viene trasmesso al suo interno, consentono agli ingegneri di migliorare il posizionamento dei componenti, delle sezioni di raffreddamento o delle ventole di raffreddamento. La possibilità di correggere questi problemi prima che il prodotto passi alla fase successiva di sviluppo consente di risparmiare molte risorse e tempo.

Considerazioni per i diversi ambienti applicativi

Le condizioni di funzionamento di un dispositivo elettronico hanno un forte impatto sulla qualità della vita. gestione termica strategie da adottare. I dispositivi che funzionano a temperature elevate o in spazi chiusi che limitano il flusso d'aria, avranno bisogno di soluzioni di raffreddamento più complesse rispetto ai dispositivi che funzionano a basse temperature e in ambienti ben ventilati.

Inoltre, anche l'altitudine, l'umidità e la presenza di polvere e altri contaminanti possono influire sulle prestazioni termiche dei dispositivi. Questi fattori di permanenza devono essere bilanciati nella scelta e nella progettazione dei metodi di dissipazione del calore dei PCB. Ad esempio, un dispositivo destinato all'uso all'aperto in climi caldi può richiedere ventole di raffreddamento più potenti e dissipatori di calore più grandi rispetto allo stesso dispositivo utilizzato in condizioni interne controllate dall'aria.

Combinazione di più tecniche per la massima efficienza

Nella maggior parte dei casi, l'approccio migliore per ottenere una gestione termica efficace è l'adozione di diverse tecniche. Ad esempio, la combinazione di un dissipatore di calore su un componente ad alta potenza, di un diffusore di calore e di vias termici posizionati in modo strategico, nonché di un raffreddamento ad aria forzata su un componente ad alta potenza, consentirà di raffreddare il dispositivo in modo molto più efficiente rispetto all'uso di una singola tecnica.

Il metodo o le tecniche di raffreddamento da utilizzare dipendono dai parametri specifici dell'applicazione, come il calore prodotto, l'area disponibile, il costo in termini di investimento e l'affidabilità necessaria.

Suggerimenti ACDCFAN: Quando si dovrebbe considerare l'uso di una ventola di raffreddamento nei progetti di PCB?

Nella maggior parte dei casi, l'uso di una ventola in un progetto di PCB è un compromesso tra funzione, costo, rumore e affidabilità del sistema. Ecco alcuni segnali importanti che potrebbero suggerire la necessità di un raffreddamento attivo con ventola:

• Dissipazione di potenza elevata: Iel caso in cui uno o più componenti montati sulla scheda dissipino molta potenza (ad esempio, >10W), l'utilizzo del solo raffreddamento passivo, come i dissipatori di calore, non garantisce temperature di esercizio sicure, soprattutto se l'ambiente è compatto.
• Temperature ambientali elevate: Quando il dispositivo deve funzionare in regioni con temperature ambientali elevate (ad esempio, >40°C), la differenza di temperatura che determina il trasferimento passivo del calore è inferiore al necessario, per cui è necessario un raffreddamento attivo.
• Convezione naturale limitata: Questi sistemi incapsulati, con una ventilazione insufficiente e un flusso d'aria limitato, possono portare all'accumulo di calore, rendendo necessario un raffreddamento ad aria forzata fornito da un ventilatore.
• Requisiti di prestazione rigorosi: Se l'applicazione in questione richiede che determinati processori o GPU siano costantemente operativi al massimo delle prestazioni, il raffreddamento attivo può contribuire a garantire temperature operative ottimali e a evitare le conseguenze del throttling termico.
• Alta densità di componenti: I circuiti stampati con montaggio denso possono accumulare grandi quantità di calore, rendendo difficile il controllo della temperatura da parte dei metodi di raffreddamento passivo.
• Problemi di affidabilità: Il raffreddamento attivo può aiutare i componenti importanti a durare più a lungo, riducendo la temperatura operativa. Di conseguenza, è ideale per le applicazioni che richiedono un'affidabilità a lungo termine.

Tecniche di raffreddamento passive e attive

Le strategie di gestione del calore impiegate per i PCB possono essere suddivise in metodi passivi e attivi, ognuno dei quali contribuisce in modo diverso alla gestione termica complessiva dei dispositivi elettronici avanzati:

Nel raffreddamento passivo, il calore viene estratto senza l'ausilio di energia esterna. Tra gli esempi vi sono i dissipatori di calore, i vialetti termici, l'ottimizzazione dello strato di rame e la selezione dei materiali dei circuiti stampati. Queste tecniche sono generalmente meno complicate, hanno una maggiore affidabilità perché non hanno parti in movimento e non richiedono energia aggiuntiva. D'altro canto, il loro potenziale di raffreddamento è limitato a causa del metodo passivo di estrazione del calore. Anche il posizionamento strategico dei componenti attivi in un circuito stampato può essere considerato una tecnica di raffreddamento passivo, in quanto il posizionamento dei componenti viene effettuato in modo da ridurre al minimo l'interferenza termica tra i componenti vicini.

Le tecniche attive di raffreddamento sono quelle che utilizzano un dispositivo esterno alimentato ad energia che lavora per spostare il calore lontano dal PCB. Il tipo più diffuso di questi metodi prevede l'uso di ventole di raffreddamento per forzare l'aria sui dissipatori e sulla superficie del PCB. Altri esempi di metodi attivi che possono essere impiegati sono i sistemi di raffreddamento a liquido, che hanno una maggiore capacità di raffreddamento ma tendono a essere più complessi e costosi. Sebbene sia i metodi attivi che quelli passivi presentino vantaggi specifici, i metodi di raffreddamento attivi consentono una dissipazione del calore nettamente migliore, il che li rende molto più vantaggiosi per le applicazioni che utilizzano l'elettronica di potenza o in aree in cui la convezione naturale è scarsa o assente. Tuttavia, queste soluzioni attive presentano alcuni svantaggi, come l'introduzione di suoni indesiderati, il consumo di energia supplementare e la durata limitata in base all'affidabilità delle parti attive.

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Conclusione

Le tecniche di dissipazione del calore dei circuiti stampati non sono più considerazioni facoltative. Sono diventate indispensabili per migliorare l'affidabilità e le super prestazioni dei dispositivi elettronici. I rischi che causano il surriscaldamento e l'erosione del prodotto possono essere risolti grazie a una solida conoscenza della gestione termica e all'implementazione di metodi di raffreddamento sofisticati, ottimizzando la disposizione dei componenti e seguendo le migliori pratiche.

Sia che preferiate soluzioni di raffreddamento passive o le più aggressive soluzioni di raffreddamento attive offerte dalle ventole, è fondamentale avere un approccio coerente alla gestione termica. Durante la progettazione dell'elettronica, non dimenticate che la collaborazione con fornitori esperti di soluzioni di raffreddamento, come ACDCFAN, vi aiuterà a risolvere i problemi di dissipazione del calore dei circuiti stampati.