10 Técnicas Efectivas de Disipación de Calor en PCB para Mejorar la Fiabilidad de Dispositivos Electrónicos

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En el campo moderno de la electrónica, a medida que las dimensiones de los dispositivos continúan reduciéndose y el rendimiento sigue mejorando, los problemas de gestión térmica se vuelven cada vez más prominentes y no pueden ser ignorados. Tal como dijo una vez una persona sabia, «El avance tecnológico a menudo va de la mano con la liberación de calor.» El calor generado por los dispositivos electrónicos durante su funcionamiento, si no se maneja y disipa adecuadamente, puede ser como una amenaza imperceptible que pone en peligro silenciosamente la estabilidad y la vida útil del equipo. En este mundo digital en constante cambio, dominar las técnicas clave para la refrigeración de PCB no solo es una garantía para mejorar la confiabilidad de los dispositivos electrónicos, sino también un camino esencial para liderar el frente de la tecnología.

PCB-Heat-Dissipation

Los dispositivos electrónicos generan una cierta cantidad de calor durante su funcionamiento, lo que provoca un rápido aumento de la temperatura interna del dispositivo. Si este calor no se disipa de manera oportuna, el dispositivo continuará calentándose, lo que provocará fallos en los componentes debido al sobrecalentamiento, disminuyendo así la fiabilidad y el rendimiento del dispositivo electrónico.

Por lo tanto, es fundamental gestionar eficazmente la disipación del calor de la placa de circuito. La disipación del calor en las PCB desempeña un papel vital, así que vamos a hablar sobre algunas técnicas para la disipación del calor en las PCB.

Los materiales de PCB ampliamente utilizados para la disipación de calor incluyen sustratos de tela de vidrio con revestimiento de cobre y epoxy o sustratos de tela de vidrio con resina fenólica, con un pequeño número que también utiliza placas de cobre revestidas en papel.

Aunque estos sustratos poseen excelentes propiedades eléctricas y de procesamiento, su capacidad de disipación de calor es deficiente. Como método de enfriamiento para componentes de alta generación de calor, es casi imposible depender de la conducción térmica a través de la resina del PCB en sí, sino más bien el calor se disipa desde la superficie de los componentes hacia el aire circundante.

Pero con la llegada de productos electrónicos a la era de componentes miniaturizados, ensamblaje de alta densidad y generación de calor elevada, depender únicamente de la pequeña área superficial de los componentes para la disipación de calor resulta insuficiente.

Simultáneamente, debido al amplio uso de componentes montados en superficie como QFP y BGA, el calor generado por los componentes electrónicos se transfiere ampliamente a la PCB. Por lo tanto, el método más efectivo para abordar la disipación de calor es mejorar la capacidad inherente de disipación de calor de la PCB en contacto directo con los componentes generadores de calor, permitiendo la conducción o disipación del calor a través de la PCB.

Diseño de PCB y ubicación de componentes

PCB-layout and-component-placement

Zonas de aire frío y componentes termosensibles.

Colocar los sensores térmicos en la zona de aire frío asegura que reciban una mejor circulación de aire.

Dispositivo de Detección de Temperatura

El dispositivo de detección de temperatura se coloca en la ubicación más caliente.

Disposición de Particiones

Los componentes en la misma placa de circuito impreso deben ser dispuestos en particiones según su generación de calor y niveles de disipación de calor en la medida de lo posible. Los componentes con una generación de calor menor o una resistencia al calor deficiente (como transistores de señal pequeña, circuitos integrados de pequeña escala, condensadores electrolíticos, etc.) deben colocarse aguas arriba del flujo de aire de enfriamiento (entrada), mientras que los componentes con una generación de calor mayor o una resistencia al calor mejor (como transistores de potencia, circuitos integrados de gran escala, etc.) deben colocarse aguas abajo del flujo de aire de enfriamiento.

Diseño Vertical y Horizontal.

En la dirección horizontal, los dispositivos de alta potencia deben ubicarse más cerca del borde de la placa de circuito impreso para acortar la ruta de transferencia de calor. En la dirección vertical, los dispositivos de alta potencia deben posicionarse por encima de la placa de circuito impreso para minimizar su impacto en la temperatura de otros dispositivos durante su funcionamiento.

La disipación de calor dentro de la placa de circuito impreso del equipo depende principalmente del flujo de aire. Por lo tanto, durante la fase de diseño, es importante estudiar las vías de flujo de aire y disponer los componentes o la placa de circuito impreso de manera adecuada.

Ubicación del componente sensor de temperatura sensible

El aire tiende a fluir hacia las zonas de menor resistencia cuando está en movimiento. Por lo tanto, al colocar componentes en una placa de circuito impreso, es importante evitar dejar espacios abiertos grandes en una zona en particular. La disposición de los componentes en varias placas de circuito impreso dentro de un sistema también debe considerar este principio.

Los dispositivos sensibles a la temperatura es recomendable ubicarlos en las regiones más frescas, como la parte inferior del equipo. Es crucial evitar colocarlos directamente sobre componentes que generen calor. Al colocar varios dispositivos, es aconsejable utilizar un diseño escalonado en un plano horizontal.

Dispositivos de alta potencia

Coloque los dispositivos con el mayor consumo de energía y la mayor generación de calor cerca de las ubicaciones óptimas de enfriamiento. Evite colocar dispositivos generadores de calor elevado en las esquinas y bordes de la placa de circuito impreso, a menos que haya un dispositivo de enfriamiento dispuesto en las cercanías.

Radiador y Placa de Conducción de Calor

Radiator-and-Heat-Conduction-Plate

Dispositivos calefactores de pequeña escala

Al diseñar resistencias de potencia, es recomendable seleccionar dispositivos más grandes y asegurar espacio suficiente para la disipación de calor al ajustar el diseño de la placa de circuito impreso.

Para componentes que generan altas cantidades de calor, se pueden agregar disipadores de calor y placas conductoras de calor. Cuando solo hay unos pocos componentes que generan mucho calor (menos de 3), se pueden colocar disipadores de calor o tubos conductores de calor en los componentes calefactores. Si la temperatura no puede reducirse lo suficiente, se puede emplear un disipador de calor con ventilador para mejorar la disipación de calor.

Componentes de Disipación de Calor a Gran Escala

Cuando hay una cantidad considerable de componentes generadores de calor (más de 3), se puede utilizar un recinto de disipación de calor de mayor tamaño (placa). Este disipador de calor especializado se personaliza según las posiciones y alturas de los componentes generadores de calor en la placa PCB, o también puede implicar la creación de diferentes alturas de componentes en una gran placa plana de disipación de calor. El recinto de disipación de calor se fija de manera segura a la superficie del componente en su totalidad, estableciendo contacto con cada componente individual para lograr una disipación efectiva del calor.

Almohadilla Conductora de Cambio de Fase Térmica

Sin embargo, debido a la falta de consistencia en la altura de los componentes durante el proceso de soldadura, el efecto de disipación de calor no es óptimo. Es práctica común mejorar la disipación de calor mediante la aplicación de una almohadilla conductora de cambio de fase térmica y flexible en la superficie del componente.

Diseño de circuitos y distribución de rutas

Circuit-design

Para equipos que utilizan enfriamiento de convección libre por aire, es preferible disponer los circuitos integrados (u otros componentes) en una orientación vertical u horizontal.

Para lograr una disipación de calor eficiente a través de un esquema de diseño de rutas adecuado, mejorar la retención de trazas de cobre e incorporar vias térmicas son los métodos principales. Debido a la baja conductividad térmica de la resina en el material de la placa, las trazas de cobre y las vias actúan como conductores eficaces del calor. Evaluar la capacidad de disipación de calor de un PCB requiere el cálculo de la conductividad térmica equivalente del material compuesto, que comprende varios materiales con diferentes conductividades térmicas, utilizados en el sustrato aislante del PCB.

Los componentes en la misma placa de circuito impreso deben ser dispuestos en zonas según su generación de calor y capacidades de disipación de calor. Los componentes con menor generación de calor o menor resistencia al calor, como los transistores de pequeña señal, los circuitos integrados de pequeña escala y los capacitores electrolíticos, deben colocarse aguas arriba del flujo de aire de enfriamiento (entrada). Los componentes con mayor generación de

calor o mejor resistencia al calor, como los transistores de potencia y los circuitos integrados de gran escala, deben colocarse aguas abajo del flujo de aire de enfriamiento.

En la dirección horizontal, los dispositivos de alta potencia deben ubicarse más cerca del borde de la placa de circuito impreso para acortar la ruta de transferencia de calor. En la dirección vertical, los dispositivos de alta potencia deben posicionarse arriba en la placa de circuito impreso para minimizar su impacto en las temperaturas de otros componentes.

La disipación del calor de la placa de circuito impreso dentro del dispositivo depende principalmente del flujo de aire. Por lo tanto, durante la fase de diseño, es fundamental estudiar las vías de flujo de aire y posicionar estratégicamente los componentes o la placa de circuito impreso.

El aire tiende a fluir hacia las áreas de menor resistencia cuando está en movimiento, por lo que al colocar componentes en una placa de circuito impreso, es importante evitar dejar espacios grandes en una zona específica.

La configuración de múltiples placas de circuito impreso dentro del ensamblaje también debe tener en cuenta los mismos problemas. Es recomendable ubicar los componentes sensibles a la temperatura en la zona de temperatura más baja (como la parte inferior del dispositivo). Evite colocarlos directamente encima de componentes que generen calor. Al tratar con varios componentes, es preferible disponerlos en un diseño entrelazado en un plano horizontal.

Coloque los componentes con mayor consumo de energía y generación de calor máximo cerca de la ubicación óptima de disipación de calor. Evite colocar componentes de alta generación de calor en las esquinas y bordes de la placa de circuito impreso a menos que haya dispositivos de disipación de calor dispuestos cerca. Al diseñar resistencias de potencia, elija componentes más grandes siempre que sea posible y asegure suficiente espacio de disipación de calor al ajustar el diseño de la placa de circuito impreso.

Minimizar la concentración de puntos calientes en la PCB y distribuir la potencia de manera uniforme en toda la placa para mantener un rendimiento de temperatura superficial uniforme y consistente.

Lograr una distribución uniforme estricta a menudo es un desafío en el proceso de diseño, pero es esencial evitar regiones con una densidad de potencia excesivamente alta. Esta precaución se toma para evitar la aparición de puntos calientes que podrían afectar negativamente el funcionamiento normal del circuito.

Realizar un análisis de la energía térmica para circuitos impresos es esencial si las condiciones lo permiten. La inclusión de módulos de software de análisis de índices de energía térmica en algunos programas profesionales de diseño de PCB en la actualidad puede ayudar a los ingenieros de diseño a optimizar el diseño del circuito.

En el campo moderno de alta tecnología, la importancia de las técnicas de gestión térmica de PCB se vuelve cada vez más prominente. Al igual que un gran arquitecto debe considerar la estabilidad de un rascacielos al diseñarlo, los ingenieros electrónicos también deben centrarse en el flujo y la dispersión del calor al diseñar placas de circuito.

A través de una disposición adecuada, la selección de materiales apropiados para la disipación del calor y el aprovechamiento total de las herramientas de diseño modernas, podemos crear un «sistema de control de temperatura» perfecto dentro de los dispositivos electrónicos, permitiendo que cada componente funcione de manera eficiente a temperaturas adecuadas y emita un brillo deslumbrante. Así como la civilización humana prospera a través de la innovación, la tecnología electrónica también continúa evolucionando a través de la gestión térmica. ¡Unámonos estrechamente en el escenario de la tecnología, esforzándonos incansablemente por crear un mundo electrónico más inteligente, eficiente y confiable!

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