Temperatura da PCB: Dicas para melhorar a gestão térmica de PCBs

O gerenciamento térmico é de extrema importância ao projetar PCBs. Isso porque a temperatura das PCBs pode garantir a confiabilidade, o desempenho e a longevidade das PCBs e dos equipamentos eletrônicos dos quais são um componente integral. Assim, o gerenciamento aprimorado de calor da Placa de Circuito Impresso é uma necessidade para uma operação confiável e para proteger contra danos aos componentes eletrônicos.

No próximo capítulo, discutiremos várias abordagens para fortalecer o gerenciamento de temperatura de PCB.

Razões para a geração de calor

Existem várias razões pelas quais o calor é produzido em uma placa de circuito impresso (PCB). Por exemplo, dissipação de energia, aquecimento Joule, conversão de energia ineficiente, operação em alta frequência e gerenciamento térmico insuficiente. A funcionalidade, confiabilidade e durabilidade dos componentes eletrônicos em uma PCB podem ser adversamente impactadas por temperaturas excessivas. Para controlar eficazmente a temperatura e garantir que a PCB opere em seu nível ideal, um projeto térmico adequado também é obrigatório.

Dicas para melhorar o gerenciamento térmico em Placas de Circuito Impresso

· Dica 1: Posicionamento de Componentes

Uma estratégia para reduzir significativamente a concentração de calor é organizar os componentes na PCB com um design e localização adequados. Especificamente, os componentes geradores de calor devem ser posicionados perto de ventiladores ou dissipadores de calor, ou outros dispositivos de resfriamento, e em regiões com ventilação adequada. Além disso, devemos também garantir que peças com vários requisitos de calor não sejam posicionadas muito próximas umas das outras. Especificamente, não é possível colocar componentes que tenham uma alta carga térmica ou de potência um ao lado do outro. Eles devem ser separados por pelo menos 20 mm. Pode-se evitar a carga térmica local excessiva na PCB desta forma. E colocar os componentes muito próximos não só causará carga térmica, mas também pode causar problemas de interferência. Isso pode levar a ruído, problemas de integridade de sinal e outros. Além disso, podemos organizar peças de alta potência em um grupo e garantir que haja espaço suficiente entre elas para permitir uma dissipação de calor adequada.

Em outras palavras, temperaturas elevadas têm o potencial de acelerar o envelhecimento, deteriorar a funcionalidade e possivelmente causar falhas prematuras. A longevidade e a operação confiável dos componentes são garantidas mantendo-os dentro de sua faixa de temperatura operacional segura por meio de um gerenciamento térmico eficaz.

· Dica 2: Seleção do Dissipador de Calor - Método de resfriamento passivo

Um dissipador de calor é um dispositivo de gerenciamento térmico passivo que emprega condução térmica para absorver e dissipar o calor produzido por elementos eletrônicos em PCBs. Os dissipadores de calor são tipicamente feitos de um material termicamente condutor, como alumínio ou cobre, e possuem aletas ou outras superfícies estendidas. Essas aletas aumentam significativamente a área de superfície disponível para transferência de calor. Portanto, os projetistas podem aumentar a área de superfície de resfriamento efetiva anexando um dissipador de calor ao componente, que pode transferir calor para o ar circundante de forma mais eficiente.

Além disso, ao expandir a área de superfície do dissipador de calor, o resfriamento por convecção é incentivado. O ar circundante entra em contato com as aletas ou superfície expandida à medida que o calor é transmitido para o dissipador de calor. Isso promove uma convecção melhorada, que auxilia o fluxo de ar e a dissipação de calor. Em outras palavras, o calor é removido pelo ar fluindo, o que reduz a temperatura dos radiadores e seus componentes conectados. Além disso, podemos optar por usar um material de interface térmica de alta qualidade, como pasta térmica ou almofada térmica entre o componente e o dissipador de calor. Isso ocorre porque o TIM preenche lacunas de ar microscópicas e melhora a condutividade térmica, o que melhora a transmissão de calor entre componentes e dissipadores de calor. Adicionalmente, para satisfazer necessidades específicas de resfriamento, poderíamos ocasionalmente precisar de um dissipador de calor que seja especialmente construído. Para desenvolver e otimizar dissipadores de calor para aplicações particulares, podemos colaborar com engenheiros térmicos ou fabricantes de dissipadores de calor.

· Dica 3: Seleção de Material da PCB

Em primeiro lugar, é possível usar materiais com alta condutividade térmica, que movem eficientemente o calor para longe de componentes de alta potência. Como o cobre tem uma condutividade térmica tão boa, ele é empregado extensivamente nesta situação. Além disso, placas de circuito impresso com núcleo metálico (MCPCBs) de cobre ou alumínio podem melhorar o desempenho térmico. Também podemos escolher materiais com um coeficiente de expansão térmica semelhante ao do componente, minimizando assim o estresse térmico e prevenindo falhas mecânicas devido a mudanças de temperatura. Porque quando os coeficientes não correspondem, pode haver um risco de falha na junta de solda ou dano ao componente. Além disso, ao projetar PCBs, os projetistas podem optar por materiais com constantes dielétricas mais baixas para minimizar a retenção de calor. Isso se deve ao fato de que materiais com uma constante dielétrica mais baixa facilitam uma maior dispersão de calor e diminuem a possibilidade de formação de pontos quentes.

Adicionalmente, também podemos experimentar o uso de várias camadas, como planos de cobre ou planos de energia, em nosso design de PCB. Isso ocorre porque o calor é disperso pela PCB por essas superfícies planas, que funcionam como tubos de calor eficazes. Além disso, podemos levar em conta a resistência térmica do material ao escolher os materiais. Pois ela mede quão bem uma substância dissipa o calor. Neste caso, poderíamos optar por materiais que permitem uma transferência e dissipação de calor mais eficazes por terem menor resistência térmica. Além disso, vale notar que, se usar um dissipador de calor, considere o material da PCB e o método de conexão do dissipador de calor. Como adesivo térmico ou compatibilidade de montagem mecânica. Para garantir uma conexão de radiador segura e confiável, alguns materiais podem precisar ser preparados especificamente ou ter adesivos que funcionem com eles.

No geral, quando se trata de gerenciamento térmico, a seleção do material deve ser consistente com os requisitos e restrições específicos da aplicação da PCB. Portanto, equilibrar o desempenho térmico, o desempenho elétrico, as considerações de custo e outros requisitos de design é incrivelmente importante.

· Dica 4: Manter as Trilhas Curtas

É imperativo lembrar que trilhas curtas podem auxiliar no controle de temperatura. Por que manter uma distância de transmissão curta pode permitir o gerenciamento térmico de PCBs? Isso ocorre porque manter a distância de transmissão curta reduz a resistência, reduz a queda de tensão, acelera a propagação do sinal, melhora a integridade do sinal e reduz o acoplamento térmico. Para ser específico, tome a resistência reduzida como exemplo, pois trilhas mais curtas têm menor resistência, o que reduz a dissipação de energia devido a perdas resistivas. Quando a corrente flui através de uma trilha, ela encontra resistência, que converte parte da energia elétrica em calor. Então, quando você mantém as trilhas curtas, pode minimizar as perdas resistivas e reduzir a quantidade de calor gerada, alcançando assim o gerenciamento térmico. Ao mesmo tempo, se usarmos trilhas mais longas, podemos ser mais suscetíveis à distorção do sinal, como reflexos de sinal e diafonia. Esses problemas de integridade de sinal podem levar ao aumento do ruído de comutação e à degradação do sinal. Portanto, esses problemas podem ser atenuados mantendo as trilhas curtas, resultando em sinais mais claros, menor ruído e menor consumo de energia.

· Dica 5: Preenchimento e Trilhas de Cobre

Uma das maneiras mais eficazes de gerenciar o gerenciamento térmico da PCB é aumentando a largura do cobre e das trilhas em áreas onde os componentes geram muito calor. As trilhas de cobre e preenchimentos mais largos têm menos resistência. Porque a resistência de uma trilha é diretamente proporcional ao seu comprimento e inversamente proporcional à sua área de seção transversal. Assim, ao aumentar a largura de uma trilha, você reduz sua resistência e minimiza as perdas resistivas. Isso reduz o consumo de energia e, subsequentemente, o calor gerado.

Conclusão

Em conclusão, usando o posicionamento de componentes, seleção de dissipador de calor, seleção de material da PCB, mantendo as trilhas curtas e alargando as trilhas, podemos controlar e gerenciar a temperatura ao projetar PCBs. Claro, não se limita a esses métodos acima, também podemos melhorar o gerenciamento térmico de PCBs colocando Vias perto de componentes geradores de calor, usando Vias térmicas para conectar a almofada térmica de um componente a camadas de cobre internas ou externas, etc... No entanto, o gerenciamento térmico é um desafio complexo e multifacetado porque o design de PCB é complexo e exigente. Portanto, diferentes tecnologias e estratégias devem ser implementadas de acordo com diferentes situações. Em resumo, ao implementar técnicas de gerenciamento térmico, devemos considerar as características térmicas do componente, o ambiente operacional e o design geral do sistema.