Temperatura del PCB-Aunque el concepto de la PCB tiene ciertos fundamentos en su diseño que han permanecido inalterados durante mucho tiempo, la tecnología que afecta a las PCB ha cambiado rápidamente en las últimas décadas. Una cuestión que permanece constante es el tema de la temperatura de la PCB.
La forma física de una placa de circuito impreso se compone de trazas, agujeros, capas, agujeros pasantes y máscaras de soldadura. Cada uno de estos elementos puede verse afectado por la temperatura de la placa de circuito impreso.
Si la temperatura de la placa de circuito impreso aumenta linealmente, puede producirse un efecto de bola de nieve de problemas. Si no se controla, esto afectará negativamente al rendimiento de la placa de circuito impreso.
En este artículo se ofrece una visión general del diseño de placas de alta temperatura y de cómo se pueden microgestionar las temperaturas.
1. Causas de las altas temperaturas en las placas de circuito impreso
El primer paso para microgestionar cualquier cosa es detectar la fuente de la microgestión necesaria. La temperatura de la PCB no es una excepción, y dado que las PCB utilizan el calor para funcionar, primero es necesario determinar la causa de la alta temperatura de la PCB.
Una temperatura elevada de la PCB puede provocar problemas de rendimiento. Cuando las corrientes son demasiado fuertes en una PCB, las temperaturas aumentan.
Hay tres signos reveladores de esta anomalía.
Disipación de los componentes
Es la primera señal de que las temperaturas en una PCB están aumentando demasiado. Una cosa que hay que recordar aquí es que el calor generado por un componente es directamente proporcional a la corriente de carga que fluye a través de dicho componente.
En este caso concreto, la disipación de componentes se produce cuando un componente de la placa de circuito impreso no genera la potencia que suele generar. Esto hace que otros componentes generen más potencia de la habitual en un intento de equilibrar el componente que se disipa.
Si la corriente que viaja a través de una resistencia es inconsistente, por ejemplo, el condensador y otros componentes principales de la placa de circuito impreso llevarán una carga mayor de lo habitual para compensar.
Agujero pasante
Uno de los elementos más comunes que proporcionan energía a un componente es el disipador de calor. Los componentes disipadores de calor también se conocen como componentes de orificio pasante.
Estos componentes generan calor disipando el calor en el aire. El disipador de calor hace que esto sea posible, y una forma de micromanejar las temperaturas de la PCB en este caso es ver si el disipador de calor está soldado correctamente.
Si otro componente de la PCB está interfiriendo con los agujeros pasantes o los disipadores de calor, esto hará que los otros componentes trabajen en exceso para generar más calor del necesario.
Componentes SMD
SMD significa «dispositivo de montaje superficial». Se conecta a la placa de circuito impreso de la misma manera que un componente de orificio pasante, y permite que las corrientes viajen más suavemente entre los componentes de orificio pasante y el disipador de calor.
En lo que respecta al mantenimiento de la temperatura de la placa de circuito impreso, uno de los problemas más comunes que se pueden encontrar tiene que ver con la posición de los componentes de orificio pasante en la placa de circuito impreso en relación con los componentes SMD.
Si están demasiado alejados, la energía puede tardar demasiado en llegar y salir de estos componentes. Esto puede dar lugar a que los componentes permanezcan fríos durante demasiado tiempo, lo que hará que otros componentes se sobrecalienten. Si están demasiado cerca, la temperatura será inusualmente alta.
Gran parte de esta información procede de WellPCB, una organización especializada en explorar nuevas formas de microcontrolar las temperaturas de las placas de circuito impreso.
2. Temperatura del PCB–Canales de transferencia de temperatura de PCB
Una cosa común sobre la temperatura es que nunca son estáticas. Por lo general, las temperaturas nunca permanecen iguales. Es consciente de ello, así como de los múltiples canales de transmisión de temperatura de las PCB.
La temperatura se ve afectada de muchas maneras, y una de las formas en que puedes microgestionar tanto la temperatura general de tu PCB como la de los componentes de la misma es no sólo conocer estos canales, sino también qué componentes de la PCB utilizan cada canal.
Radiación
Cuando la gente se refiere a la energía térmica en forma de ondas electromagnéticas, está hablando de radiación. El calor radiante suele generarse de forma pasiva, lo que significa que no se puede conseguir directamente bajar o aumentar la temperatura por radiación.
El calor radiante tiene un efecto casi insignificante sobre la temperatura de la PCB.
Al mismo tiempo, también es el canal del que probablemente debería preocuparse más. Y es que la temperatura de la PCB también se ve afectada por la energía térmica.
Cuando se trata de la temperatura, nada es realmente insignificante. Piense en lo que ocurriría si un avión se desviara un solo grado de su trayectoria. Si esto ocurre, aterrizará en un lugar diferente al previsto, por muy corta que sea la distancia.
Las temperaturas de las placas de circuito impreso funcionan de la misma manera. Si una placa de circuito impreso necesita estar a una temperatura de 30 grados centígrados para funcionar de forma óptima, pero permanece a 32 grados durante mucho tiempo, los resultados no serán los deseados.
Aunque no hay forma de micromanejar el calor radiante directamente, sí es posible hacerlo indirectamente. Estar en un entorno con una temperatura constante cuando se construyen y fabrican las placas de circuito impreso es una forma de hacerlo.
Temperatura del PCB-Convección
La convección tiene lugar cuando el calor se transfiere a los fluidos o al aire. A diferencia de la radiación, la convección es completamente directa y tiene un efecto muy fuerte en la temperatura general de la PCB.
El ejemplo más popular de convección es cuando se cocina algo. Al fin y al cabo, casi todos los hornos son de convección. El calor del horno se transfiere al aire, y eso es lo que le permite calentar las cosas.
La «cocción» también tiene lugar cuando se trata de materiales de PCB, y al igual que es importante conocer las temperaturas cuando se preparan alimentos en una cocina, también es importante conocer las temperaturas cuando se calientan materiales de PCB.
Temperatura del PCB-Conducción
La forma más directa del canal de transferencia de temperatura es la conducción. En la conducción, el calor se transfiere entre una fuente de calor y un disipador de calor.
El ejemplo más fuerte de esto es cuando un rayo golpea algo metálico o fluido. En estos ejemplos, la fuente de calor es el rayo, y el disipador de calor es el material fluido o el material metálico.
Saber qué componentes de su PCB funcionan como fuentes de calor y qué componentes de la PCB funcionan como disipadores de calor es una buena manera de determinar cuándo es una buena idea determinar qué tipos de corrientes pueden soportar los componentes.
3. Temperatura del PCB–Tolerancia a la temperatura de la PCB
Los fabricantes de placas de circuito impreso también tienen problemas con el sobrecalentamiento de los componentes en las placas de circuito impreso porque, sencillamente, no se han tomado la molestia de saber qué tipo de temperaturas puede soportar el material.
Saber esto y hacer una lista es algo que todo fabricante debería hacer. Tener a mano una lista que muestre el calor que puede alcanzar cada material es muy útil y, en muchos casos, necesario.
Por ejemplo, los paneles de una placa de circuito impreso contienen un material llamado FR-4, que puede soportar temperaturas de hasta 90 a 110 grados Celsius. Por lo tanto, al preparar una placa de circuito impreso con materiales FR-4, hay que tener en cuenta que las corrientes de este material pueden superar los 110 grados Celsius.
Saber a qué tipo de temperaturas están sometidos los paneles de las placas de circuito impreso que piensa fabricar es uno de los aspectos más importantes de la microgestión de la temperatura de una placa de circuito impreso, pero también uno de los que más se pasan por alto.
4. Cómo medir la temperatura de las placas de circuito impreso
Es extremadamente importante entender qué tipo de temperaturas pueden soportar los materiales de los paneles de PCB. También es muy importante saber cómo se transfiere el calor entre los componentes de la PCB.
Saber estas cosas le ayudará a microgestionar la temperatura general de su PCB. Otra cosa que es bueno saber es cómo medir la temperatura de la PCB.
Medir, en este caso, no significa comprobar las temperaturas ambientales que se muestran.
En cambio, se refiere a medir cómo aumenta y disminuye la temperatura. Conocer estos procesos es uno de los métodos más precisos para medir la temperatura general de la PCB.
Hay algunas cosas que hay que identificar antes de medir la temperatura de la PCB de esta manera. Se trata de la fuente de calor principal y del sensor de temperatura. Es la forma en que se genera la mayor parte del calor y donde se producen la mayoría de las corrientes.
Lo siguiente es encontrar el pin GND de la fuente de calor. Suele estar conectado al sustrato de la fuente de calor.
Después de hacer esto, puedes medir la temperatura de la PCB haciendo estas tres cosas:
Utilizar un plano de tierra común entre el sensor de temperatura y la fuente de calor.
Conectas los pines GND de todos los sensores de temperatura al plano de tierra de la fuente de calor.
Mantener el sensor de temperatura y la fuente de calor razonablemente cerca el uno del otro en la PCB.
Esto le permitirá hacer un seguimiento preciso y consistente de la temperatura global de la PCB, así como de la fuente de calor principal.
5. Resultados causados por una temperatura excesiva de la PCB
Saber cómo medir la temperatura de la PCB de forma precisa y adecuada es una cosa. Pero, ¿qué ocurre cuando los componentes y materiales de una PCB se calientan demasiado?
Las temperaturas excesivas destruirán la integridad de la capa.
¿Qué ocurre cuando algo se calienta o se enfría de forma inusual? Se expanden y se contraen, respectivamente.
Los PCB no son diferentes. Las capas de la placa de circuito impreso son sensibles a las temperaturas. Si no se controlan, las temperaturas excesivas deformarán la longitud, la anchura y el grosor de cualquier capa de la placa de circuito impreso.
Volviendo al ejemplo de la convección en el capítulo 2, esto es similar a dejar la comida en el microondas durante demasiado tiempo, haciendo que el alimento que hay dentro explote.
A las capas de PCB les ocurre algo parecido si se sobrecalientan.
La energía térmica expande la mayoría de las sustancias, alterándolas.
Las sustancias se expanden cuando se calientan demasiado, alterando su forma de alguna manera.
Los materiales de los circuitos no están exentos de esto. Las altas temperaturas pueden y van a cambiar la forma de las líneas de transición en estos materiales de circuito. Cuando esto sucede, cambiará las dimensiones de los propios materiales del circuito.
Esto dará lugar a pérdidas directas, distorsión y cambios de frecuencia en los materiales de los circuitos.
Los materiales se expanden a diferentes velocidades.
Los materiales de una placa de circuito impreso no sólo se expanden cuando están a altas temperaturas, sino que también lo hacen a diferentes velocidades.
La superficie de una placa de circuito impreso está formada por capas dieléctricas o capas metálicas conductoras. Estas capas se expanden a diferentes límites y a diferentes velocidades. Estas diferencias no son sólo del dieléctrico y del conductor. Ninguna capa dieléctrica o conductora se crea igual.
Uno de los errores más comunes que puede cometer cualquier fabricante de PCB es confundir estas dos capas. Asegúrese de dedicar tiempo a saber con qué capa está trabajando.
La soldadura de placas requiere diferentes temperaturas.
La soldadura es una habilidad necesaria para cualquiera que desee producir, probar y fabricar placas de circuito impreso.
Saber con qué tipo de temperaturas se debe trabajar al soldar y soldar es algo que cualquier persona en una empresa de fabricación de PCB necesita saber, incluso si no está directamente involucrada en la soldadura y el soldeo de cualquier material.
6. Elección de los materiales adecuados para las placas de circuito impreso
Otra forma de micromanipular y establecer correctamente las temperaturas de las placas de circuito impreso es elegir los materiales adecuados para las placas. Elegir los materiales incorrectos hará que sea mucho más difícil de lo que debería ser micromanejar estas temperaturas.
El material más común para una placa de circuito impreso se llama FR-4. Cualquiera que esté empezando en WellPCB. Le proporcionaremos un servicio integral y productos de alta calidad. Puede enviarnos los documentos que necesita hacer y obtener un presupuesto inmediatamente. ¿A qué esperamos? Tenemos diez años de fabricación de PCB o quien quiera minimizar los riesgos debería elegir este material. Una característica común de los materiales FR-4 es que resisten bien las temperaturas.
Hay otros dos materiales que no son tan comunes como el FR-4, y son la poliimida y el RF. Aunque estos dos no resisten las temperaturas tan bien como el FR-4, tienen otras propiedades que los materiales FR-4 no tienen.
Esta lista le proporcionará la mayor parte de la información que necesitará sobre estos materiales en lo que respecta a sus capacidades específicas de temperatura.
Puede ver la lista completa aquí: https://bayareacircuits.com/material-library/
7. Métodos para reducir la temperatura de los PCB
Por último, es el momento de explorar las formas de reducir la temperatura de las placas de circuito impreso. Éstas pueden aplicarse a cualquier material de cualquier PCB.
Temperatura del PCB-Disipadores de calor
Las piezas, los materiales y los componentes de las placas de circuito impreso generan calor. Un disipador de calor adecuado disipará este calor, permitiendo microgestionar el calor.
Temperatura del PCB-Ventiladores de refrigeración
Casi todos los dispositivos electrónicos contienen un ventilador, pero muchos no entienden cuál es su propósito.
Tanto si forma parte de un dispositivo electrónico completo como de una WellPCB. Le proporcionaremos un servicio integral y productos de alta calidad. Puede enviarnos los documentos que necesita realizar y obtener un presupuesto inmediatamente. ¿A qué esperamos? Tenemos diez años de dispositivo de fabricación de PCB, el propósito de un ventilador de refrigeración es permitir que el aire caliente fuera del dispositivo, mientras que dejar que el aire frío en él.
Las placas más gruesas requieren más potencia para alcanzar altas temperaturas.
El grosor de las placas es una de las cuestiones más confusas a las que se enfrentan los fabricantes cuando se trata de las temperaturas de las placas de circuito impreso.
Si bien es cierto que las placas más gruesas necesitan más potencia para alcanzar temperaturas más altas, cuanto más ancha es una placa, menos resiste. Puede ralentizar la temperatura. Esta anomalía permite otro método para controlar las temperaturas de las placas de circuito impreso.
Temperatura del PCB-Consideraciones sobre la integración de los tubos de calor
¿Cuál es el objetivo principal de cualquier tubo? Es organizar el flujo de cualquier sustancia determinada.
También es cierto cuando se trata de micromanejar la temperatura de los PCB, ya que los líquidos que intervienen en la producción de PCB pueden absorber calor, evaporarse y luego condensarse de nuevo en líquido.
Este tipo de proceso le permite seguir trabajando con los materiales y componentes que necesite y, al mismo tiempo, microgestionar las temperaturas implicadas de forma automática.
Conclusión y resumen
Si se tiene una gran atención a los detalles y se está bien informado, no es difícil entender las causas y las soluciones que rodean a la temperatura de los PCB. También puede encontrar información adicional en los archivos de artículos de WellPCB.
Hay muchas cosas que aprender cuando se trata de microgestionar las temperaturas de la PCB, y la clave para hacerlo es ser paciente y constante. Dominar el arte de gestionar las temperaturas de las placas de circuito impreso requiere tiempo, y guías como ésta están diseñadas para ahorrar mucho de él.
WellPCB se ha especializado en la prestación correcta de servicios de PCB. Afortunadamente, hay varios campos de fabricación de PCB desde hace tiempo. Nos comprometemos no sólo a proporcionar información a otros fabricantes de placas de circuito impreso, sino también a ofrecer los mejores materiales, componentes y servicios para ambos.
