Resolver o sobreaquecimento: Técnicas de dissipação de calor em PCB

Porque é que o sobreaquecimento de PCB é uma grande preocupação na eletrónica

O desenvolvimento contínuo da eletrónica moderna de ponta elevou o seu tamanho e capacidade a níveis sem precedentes, o que introduz novas questões, como a gestão do calor para componentes amontoados. O sobreaquecimento nas placas de circuitos impressos (PCB) é mais do que um inconveniente; é um problema angustiante que afecta o desempenho, a fiabilidade e a durabilidade dos dispositivos. Todos os projectistas e fabricantes de componentes electrónicos devem conhecer os princípios básicos da gestão térmica e estratégias altamente refinadas para a gestão do calor, se quiserem garantir que os dispositivos continuam a funcionar em condições de calor extremo. A gestão correta do calor é essencial para que os dispositivos não fiquem permanentemente danificados.

Fundamentos da gestão térmica em PCBs

Em termos simples, a gestão térmica em PCB é a transferência ideal de calor de componentes geradores de calor, como os reguladores de tensão. Os componentes electrónicos, ao executarem as suas tarefas, gastam constantemente energia em resistência eléctrica para gerar calor. Por muito pouco que seja, será sempre gerado calor como resultado da utilização de energia. Por exemplo, os microcontroladores médios dissipam cerca de dois a três miliwatts de energia a um par de watts, enquanto os componentes e processadores de alta potência, os LEDs de potência e os transístores são tão potentes que podem gerar calor na ordem das dezenas a centenas de watts.

A placa de circuito impresso tem uma dupla função, incluindo a de condutor térmico. No entanto, esta função não é desempenhada de forma uniforme e depende muito dos materiais e da conceção escolhida. O calor produzido pelos componentes tem de ser deslocado através da placa de circuito impresso com a distribuição de calor adequada pelas suas camadas e depois dissipado para o ambiente. Os dois modos de transferência térmica são a condução a partir dos condutores, a transferência por convecção para o fluido ou ar circundante e a emissão de ondas de radiação que descarregam muito calor. O controlo e a gestão eficazes da energia térmica procuram melhorar a eficiência deste encaminhamento da energia térmica nos componentes, de modo a que a temperatura dos componentes se mantenha dentro dos seus limites durante o funcionamento. Para aplicações comerciais, este limite situa-se entre 0°C e 70 °C, mas é normalmente muito mais rigoroso para componentes electrónicos especializados ou de elevada fiabilidade.

Consequências de uma dissipação de calor inadequada: Desempenho, fiabilidade e tempo de vida

A falta de atenção à "dissipação de calor" das placas de circuito impresso pode ter inúmeros impactos negativos de grande alcance num dispositivo eletrónico.

• Problemas de desempenho: Com o aumento da temperatura de um dispositivo semicondutor, as caraterísticas eléctricas também tendem a mudar. Isto significa que a velocidade de comutação dos transístores pode diminuir, o que conduziria a um aumento do tempo de processamento e a uma redução do desempenho do sistema. No caso dos circuitos analógicos, o aumento da temperatura pode provocar ruído e sinais de desvio que diminuem a integridade do sinal. Um processador concebido para funcionar a 3 GHz sofrerá um declínio entre 10% e 15% por cada aumento de 10°C na temperatura óptima.
• Fiabilidade reduzida: O calor elevado pode aumentar a taxa de quase todas as reacções químicas num dispositivo, conduzindo assim a um envelhecimento precoce e a um aumento da taxa de avarias. Estudos indicam que, para muitos componentes electrónicos, a taxa de avarias é estimada em duas vezes por cada 10°C de aumento de temperatura. A equação de Arrhenius é a que melhor descreve a relação entre a temperatura e o tempo de vida dos componentes; na prática, estes componentes falham frequentemente. Um condensador eletrolítico pode estar classificado para 10.000 horas a 85°C, mas a um calor constante de 105°C, pode atingir o ponto de falha muito mais rapidamente.
• Tempo de vida reduzido: Podemos observar o termo "deficiência cumulativa", que se refere a um desgaste do desempenho, da fiabilidade e da vida útil de um dispositivo eletrónico. Pode dizer-se que os dispositivos têm sempre uma vida útil limitada. Os componentes que são expostos a altas temperaturas durante longos períodos de tempo têm uma elevada probabilidade de falhar. Quando isso acontece, o dispositivo torna-se inútil. Este cenário não só acarreta custos de reparação em garantia mais elevados e taxas de satisfação do cliente mais baixas, como também constitui um grande desafio para muitos sectores em que a vida útil de um dispositivo é crítica, como o aeroespacial, o médico e os sistemas de controlo industrial.
• Aumento do consumo de energia: Quando o aparelho sobreaquece, consome invariavelmente mais energia. Este calor excessivo tem de ser gerido e os sistemas de arrefecimento têm de trabalhar horas extraordinárias. Este é o caso da maioria dos dispositivos recarregáveis que dependem de baterias para a sua alimentação, porque a gestão do calor tem uma consequência direta na duração da bateria.
• Preocupações com a segurança: A menos que sejam tomadas medidas activas, o sobreaquecimento pode tornar-se um perigo e, em casos extremos, resultar em fuga térmica ou incêndios em materiais inflamáveis.

O que precede sugere que a conceção de qualquer placa de circuito impresso deve incorporar técnicas eficazes de dissipação de calor. Essas técnicas devem, no mínimo, garantir que os produtos electrónicos mantêm a funcionalidade, a durabilidade e a segurança exigidas.

Métodos avançados de dissipação de calor

Para resolver o problema do sobreaquecimento das placas de circuito impresso, foram desenvolvidos muitos métodos sofisticados e avançados de dissipação de calor, que são normalmente utilizados no processo de conceção eletrónica. Estes métodos podem ser agrupados em duas categorias: os que incorporam uma melhor condução de calor dos componentes e os que incluem a radiação e a convecção de calor para o espaço ambiente. Uma conceção térmica global utiliza normalmente várias técnicas de controlo do calor em simultâneo.

Implementação de dissipadores de calor

Os dissipadores de calor, pelo contrário, são dispositivos passivos que funcionam de uma forma mais avançada. Os dissipadores são um dispositivo de gestão térmica cujo objetivo é aumentar a área de superfície disponível para a transferência de calor para o ar circundante. São quase sempre construídos a partir de materiais com elevada condutividade, como o alumínio ou o cobre, e têm diferentes formas e tamanhos, normalmente com aletas para aumentar a área de superfície.

Todos os componentes electrónicos emissivos que dispersam energia sofrem um aumento de temperatura durante o funcionamento. No caso da geração de calor, é utilizado um dissipador de calor para receber energia de um dispositivo e aumentar a quantidade de energia dissipada para o meio circundante. Estes dispositivos maximizam a superfície de contacto através da utilização de superfícies com aletas e suportam o fluxo de ar de arrefecimento que pode ser forçado ou circular naturalmente à volta do dissipador de calor. A sua eficiência depende dos materiais, da área de superfície, da configuração das alhetas e da resistência térmica da interface entre o componente e o dissipador de calor. A utilização de materiais de interface térmica - TIMs, como pasta térmica e almofadas - fixa adequadamente a interface e reduz a resistência térmica da interface para uma transferência de calor correta. Por exemplo, um dissipador de calor de alumínio com uma área de superfície maior de 50 cm² pode arrefecer passivamente vários watts de calor através de convecção natural, o que é significativamente mais do que uma peça quente sem dissipador de calor. Em aplicações de alta potência, são necessários dissipadores de calor maiores e mais finamente divididos.

Utilização de Vias Térmicas para um Fluxo de Calor Melhorado

As vias térmicas consistem num orifício de passagem revestido preenchido com um material termicamente condutor, na maioria das vezes cobre, que serve de via para a transferência de calor numa direção vertical de uma camada da placa de circuito impresso para outra. Quando utilizadas em placas de circuito impresso multicamadas, são essenciais para a transferência de calor dos dispositivos montados à superfície para os planos de cobre interiores, que por sua vez espalhariam o calor por toda a placa.

Para maximizar o desempenho das vias térmicas, estas devem ser estrategicamente colocadas sob os componentes geradores de calor. O número de vias térmicas necessárias depende da condutividade térmica do material da placa de circuito impresso e da quantidade de calor que está a ser dissipada. Por exemplo, um conjunto denso de vias térmicas, digamos 10-20 em número, com um diâmetro de 0,3 mm, pode reduzir drasticamente o valor da resistência térmica entre um componente de superfície e um plano de cobre interior. As políticas de gestão térmica eficazes devem centrar-se na otimização da quantidade e da configuração destas vias térmicas.

Otimização de traços e planos de cobre para condução de calor

Numa estrutura de PCB, o cobre é o melhor condutor térmico e, devido à sua elevada condutividade térmica, pode ser utilizado estrategicamente para aumentar a taxa de dissipação de calor, proporcionando a melhor dissipação de calor em aplicações de alta potência. Para além da redução da resistência eléctrica, um aumento da largura e da espessura dos traços de cobre que transportam correntes elevadas melhora tanto a resistência do traço de cobre como a sua capacidade de dissipar o calor dos componentes. Além disso, os planos de cobre de grande área também têm a capacidade de dissipar o calor, especialmente os planos de terra e de potência, uma vez que estão diretamente sobre a placa de circuito impresso e podem aquecer os componentes do plano numa vasta área.

Reservar camadas inteiras ou grandes porções de camadas para planos de cobre em aplicações de alta potência pode ajudar muito na gestão térmica. A condutância térmica do cobre é de quase 400 W/m-K, o que é muito superior à do FR-4 comum, que é de cerca de 0,2 W/m-K devido à sua baixa condutividade térmica. Esta diferença sublinha a necessidade de utilizar o cobre para a dissipação de calor e deve ser considerada como parte da sua estratégia de conceção térmica. Por exemplo, aumentar a espessura do traço de cobre duas vezes de um lado reduzirá a resistência térmica em cerca de 50 por cento.

Tecnologia de tubos de calor e sua aplicação em PCBs

O princípio de um tubo de calor baseia-se na transferência de calor através do processo sequencial de evaporação e condensação do fluido de trabalho num tubo selado. Um tubo de calor é definido como um dispositivo que transfere calor com uma perda mínima de temperatura ao longo de distâncias consideráveis. No passado, as utilizações eram bastante limitadas, por exemplo, o arrefecimento de computadores portáteis, a disseminação de tubos de calor instalados em PCB que requerem uma potência significativa está a tornar-se mais comum, uma vez que os tubos de calor são facilmente integrados e constituem uma das melhores estratégias de gestão térmica disponíveis na eletrónica moderna.

O arrefecimento ativo de placas de circuitos impressos (PCB) pode incluir a integração de tubos de calor na PCB, a ligação direta a componentes da PCB ou a aplicação de tubos de calor miniaturizados. Os tubos de calor são extremamente eficazes na deslocação de fluxos concentrados de calor de um ponto quente para uma área concebida onde o calor pode ser dissipado. Isto é possível graças à construção miniaturizada do tubo, que resulta numa condutividade térmica consideravelmente mais elevada do que o cobre sólido.

A título de exemplo, a condutividade térmica eficiente dos pequenos tubos de calor pode ser várias ordens de grandeza superior à do cobre sólido. Assim, os pequenos tubos de calor são ideais para qualquer tipo de dispositivo eletrónico com elevados níveis de geração de calor concentrado.

Utilização de ventiladores de arrefecimento para convecção de ar forçado

As ventoinhas de arrefecimento funcionam como dispositivos activos de gestão térmica que movem dinamicamente o ar através da placa de circuito impresso e dos dissipadores de calor, melhorando a transferência de calor por convecção. São particularmente eficazes em aplicações em que os métodos de arrefecimento passivo são insuficientes para manter as temperaturas dos componentes dentro de limites aceitáveis e são uma das estratégias mais utilizadas para gerir o calor em vários dispositivos na indústria eletrónica.

A configuração do ventilador é determinada pelo volume de calor a expelir, o espaço disponível para o ventilador, o caudal de ar necessário e o nível de ruído permitido. As caraterísticas do caudal de ar e da pressão diferem consoante os ventiladores: ventiladores axiais e ventoinhas de insuflação, cada uma fornecendo diferentes tipos de caudal de ar e pressão.

Os ventiladores radiais, também conhecidos como ventiladores de sopro, são frequentemente aplicados se houver necessidade de direcionar o fluxo de ar através de um ponto específico ou de um volume confinado, em contraste com ventiladores axiaisque são melhores para proporcionar um fluxo de ar geral através da placa de circuito impresso. A título de exemplo, a capacidade de dissipação de calor de um dissipador de calor pode aumentar em 50-100% quando a velocidade do ar que circula sobre o dissipador de calor é aumentada de 1m/s para 3m/s.

Estratégias de colocação de componentes para uma gestão térmica melhorada

A colocação estratégica de componentes na placa de circuito impresso no que respeita aos sistemas de arrefecimento é uma área que requer inovação. Os projectistas podem melhorar a dissipação de calor examinando cuidadosamente as propriedades térmicas de vários sistemas, as suas posições no sistema e os métodos de arrefecimento disponíveis.

• Componentes de alta potência separados: Os componentes que produzem calor devem estar localizados a uma distância uns dos outros para evitar pontos de temperatura localizados elevados e reduzir o acoplamento térmico.
• Orientar os componentes para o fluxo de ar: Para sistemas arrefecidos por ar forçado, os componentes devem ser posicionados de forma a permitir o arrefecimento unidirecional do ar para a maioria das superfícies blindadas. Um exemplo é orientar os dissipadores de calor com alhetas paralelamente à direção do fluxo de ar de arrefecimento.
• Componentes sensíveis ao calor: Os componentes sensíveis ao arrefecimento devem ser posicionados fora das áreas de componentes potentes e dentro de regiões arrefecidas.
• Utilização dos bordos do tabuleiro: Os componentes de alta potência podem ser montados nas extremidades da placa de circuito impresso para que o calor possa ser transferido para o chassis ou caixa.
• Simetria térmica: Tentar equilibrar a distribuição de dispositivos produtores de calor numa placa de circuito impresso pode ajudar a baixar a temperatura de áreas localizadas numa placa de circuito impresso devido a menos pontos quentes e a melhorar o padrão de temperatura do ar na placa de circuito impresso.

Melhores práticas para a implementação de técnicas de dissipação de calor em PCB

Dependendo da fase do processo de conceção, a gestão do calor nas placas de circuitos impressos (PCB) deve ser efectuada de forma sistemática, desde a identificação do problema até à resolução dos desafios de gestão do calor.

Análise e Simulação Térmica em Fase Inicial

Nas fases iniciais do ciclo de conceção, deve ser efectuada uma avaliação e uma simulação para mitigar quaisquer riscos de sobreaquecimento e testar a eficiência de outras técnicas de controlo do calor antes da construção de quaisquer protótipos físicos. Os programas que utilizam processos como a Análise de Elementos Finitos (FEA), que simulam a forma como uma placa de circuito impresso gera calor e como o calor é transmitido no seu interior, permitem aos engenheiros melhorar o posicionamento dos componentes, das secções de arrefecimento ou das ventoinhas de arrefecimento. A possibilidade de corrigir estes problemas antes de o produto passar para a fase posterior de desenvolvimento permite poupar muitos recursos e tempo.

Considerações sobre diferentes ambientes de aplicação

As condições de funcionamento de um dispositivo eletrónico têm um grande impacto na gestão térmica estratégias que têm de ser adoptadas. Os dispositivos que funcionam a altas temperaturas ou em espaços fechados que limitam o fluxo de ar necessitarão de soluções de arrefecimento mais complexas do que os dispositivos que funcionam a baixas temperaturas e em ambientes bem ventilados.

Além disso, a altitude, a humidade e a presença de poeiras e outros contaminantes também podem ter impacto no desempenho térmico dos dispositivos. Estes factores de permanência têm de ser equilibrados ao escolher e conceber os métodos de dissipação de calor do PCB. Por exemplo, um dispositivo destinado a ser utilizado no exterior em climas quentes pode necessitar de ventoinhas de arrefecimento mais potentes e de dissipadores de calor maiores do que o mesmo dispositivo utilizado em condições interiores com ar controlado.

Combinação de várias técnicas para obter a máxima eficiência

Na maioria dos casos, a melhor abordagem para conseguir uma gestão térmica eficaz é através da adoção de várias técnicas. Por exemplo, a combinação de um dissipador de calor num componente de alta potência, bem como um dissipador de calor e vias térmicas estrategicamente colocados, juntamente com o arrefecimento por ar forçado num componente de alta potência, arrefecerá o dispositivo de forma muito mais eficiente em comparação com a utilização de uma única técnica.

O método ou técnicas de arrefecimento a utilizar dependerão dos parâmetros específicos da aplicação, como o calor produzido, a área disponível, o custo em termos de investimento e a fiabilidade necessária.

Dicas ACDCFAN: Quando é que se deve considerar a utilização de uma ventoinha de arrefecimento em projectos de PCB?

Na maior parte dos casos, a utilização de uma ventoinha com um design de PCB é um compromisso entre a função, o custo, o ruído e a fiabilidade do sistema. Aqui estão alguns sinais importantes que podem sugerir a necessidade de arrefecimento por ventoinha ativa:

• Dissipação de energia elevada: INo caso de um ou mais componentes montados na placa dissiparem muita energia (por exemplo, >10W), a utilização de arrefecimento passivo, como dissipadores de calor, não garante temperaturas de funcionamento seguras, especialmente se o ambiente for compacto.
• Temperaturas ambientais elevadas: Quando é necessário que o dispositivo funcione em regiões com temperaturas ambiente elevadas (por exemplo, >40°C), a diferença de temperatura que impulsiona a transferência de calor passiva é inferior à necessária, pelo que é necessário um arrefecimento ativo.
• Convecção natural limitada: Estes sistemas encapsulados com ventilação deficiente e fluxo de ar restrito podem levar à acumulação de calor, o que pode exigir o arrefecimento forçado do ar fornecido por um ventilador.
• Requisitos de desempenho rigorosos: Se a aplicação em questão exigir que determinados processadores ou GPUs estejam consistentemente operacionais com um desempenho máximo, o arrefecimento ativo pode ajudar a garantir temperaturas de funcionamento ideais e a evitar as consequências da limitação térmica.
• Alta densidade de componentes: As placas de circuito impresso com montagem densa podem acumular grandes quantidades de calor, o que dificulta o controlo da temperatura pelos métodos de arrefecimento passivo.
• Problemas de fiabilidade: O arrefecimento ativo pode ajudar componentes importantes a durar mais tempo, reduzindo a temperatura de funcionamento. Como resultado, é ideal para aplicações que necessitam de fiabilidade a longo prazo.

Técnicas de arrefecimento passivas vs. activas

As estratégias de gestão do calor utilizadas para as placas de circuito impresso podem ser divididas em métodos passivos e activos, contribuindo cada um deles de forma diferente para a gestão térmica global dos dispositivos electrónicos avançados:

No arrefecimento passivo, o calor é extraído sem qualquer energia externa. Os exemplos incluem dissipadores de calor, vias térmicas, otimização da camada de cobre e seleção de materiais para PCB. Estas técnicas são normalmente menos complicadas, têm maior fiabilidade porque não têm partes móveis e não requerem energia adicional. Por outro lado, o seu potencial de arrefecimento é limitado devido ao método passivo de extração de calor. A colocação estratégica de componentes activos numa placa de circuito impresso pode também ser considerada uma técnica de arrefecimento passivo, em que a colocação dos componentes é feita de forma a minimizar a interferência térmica entre componentes vizinhos.

As técnicas activas de arrefecimento são as que utilizam um dispositivo externo alimentado por energia que funciona para afastar o calor da placa de circuito impresso. O tipo mais utilizado destes métodos envolve a utilização de ventoinhas de arrefecimento para forçar o ar sobre os dissipadores de calor e a superfície da PCB. Outros exemplos de métodos activos que podem ser utilizados são os sistemas de arrefecimento por líquido, que têm uma maior capacidade de arrefecimento, mas tendem a ser mais complexos e dispendiosos. Embora tanto os métodos activos como os passivos tenham as suas próprias vantagens, os métodos de arrefecimento ativo permitem uma dissipação de calor drasticamente melhorada, o que os torna muito mais vantajosos para aplicações que utilizam eletrónica de potência ou em áreas onde há pouca ou nenhuma convecção natural. No entanto, estas soluções activas apresentam algumas desvantagens, como a introdução de som indesejado, o consumo de energia adicional e uma vida útil limitada com base na fiabilidade das suas peças activas.

ACDC FAN: O seu parceiro no arrefecimento eficaz de PCB

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Conhecendo as diferentes necessidades das aplicações, as nossas ventoinhas têm velocidades de vários níveis que variam entre 1000 e 30.000 RPM, o que permite um fácil controlo do fluxo de ar e da pressão para confinamentos específicos de PCB e ambiente de arrefecimento operacional. Além disso, fornecemos a personalização do tamanho e da forma do ventilador, juntamente com o design e as funções para melhorar a integração do sistema e resolver vários problemas térmicos.

Enquanto empresa certificada pela ISO (ISO9001, ISO14001), a ACDCFAN respeita os mais elevados padrões de qualidade e ambientais. As nossas ventoinhas de arrefecimento estão em conformidade com as normas RoH, garantindo a segurança do produto e cumprindo as normas de segurança internacionais, tais como UL, CE, TUV, juntamente com as restrições Iso, confirmando que não são utilizados poluentes.

Para layouts de PCB com elevada dissipação de energia, disposição compacta de componentes ou condições térmicas difíceis, a ACDCFAN oferece sistemas de arrefecimento fiáveis que podem ser adaptados às suas necessidades e garantir um desempenho ótimo. Isto resulta num aumento da fiabilidade e da vida útil dos seus produtos electrónicos. Junte-se a nós para resolver as suas necessidades urgentes de arrefecimento de PCB.

Conclusão

As técnicas de dissipação do calor das placas de circuito impresso já não são opcionais. Tornaram-se indispensáveis para aumentar a fiabilidade e o superdesempenho dos dispositivos electrónicos. Os riscos que causam o sobreaquecimento e a erosão do produto podem ser resolvidos através de uma sólida compreensão da gestão térmica e da implementação de métodos de arrefecimento sofisticados, optimizando a disposição dos componentes e seguindo as melhores práticas.

Quer prefira soluções de arrefecimento passivas ou as soluções de arrefecimento activas mais agressivas oferecidas pelas ventoinhas, é fundamental ter uma abordagem de gestão térmica coerente. Ao conceber a eletrónica, não se esqueça de que a cooperação com fornecedores de soluções de arrefecimento experientes, como a ACDCFAN, irá equipá-lo e ajudá-lo a lidar com os problemas de dissipação de calor do seu PCB.