Hoje em dia, os produtos eletrônicos são compactos e leves, desempenhando uma variedade de funções. Isso se deve, em grande parte, ao gerenciamento térmico eficaz das placas de circuito impresso (PCBs). Nas placas de circuito impresso, diversos componentes são montados para desempenhar diferentes funções; durante o processo, eles geram mais ou menos calor, especialmente quando acondicionados em um espaço pequeno. Se o calor for excessivo, pode afetar o desempenho da placa de circuito impresso ou até mesmo causar falhas no dispositivo. Portanto, a melhoria do gerenciamento térmico das placas de circuito impresso (PCBs) é necessária no processo de projeto.
O que é gerenciamento térmico de PCB?
O gerenciamento térmico de PCBs é a metodologia que controla o calor produzido pelos componentes colocados na PCB. Para melhorar o gerenciamento térmico de PCBs de forma eficaz, podemos encontrar diversas soluções e técnicas, como o uso de dissipadores de calor, vias térmicas, planos de cobre, etc., para distribuir e remover o calor de forma eficiente de áreas específicas da placa de circuito impresso. O que buscamos é manter todos os componentes sempre operando de forma otimizada, a fim de prolongar a vida útil e melhorar o desempenho do dispositivo eletrônico.
7 técnicas de gerenciamento térmico de PCB comumente usadas
Para gerenciar o calor em PCBs de forma eficaz, os projetistas empregam uma variedade de técnicas de dissipação de calor em PCBs. Aqui estão sete das mais utilizadas:
Uso de materiais apropriados
Ao projetar PCBs, devemos prestar muita atenção à escolha PCB materiais para melhor gerenciamento de calor. Por exemplo, o uso de materiais com boa condutividade térmica, como o cobre, pode dissipar facilmente o calor de componentes que consomem muita energia. Além disso, os coeficientes de expansão térmica dos materiais também devem ser considerados. Podemos escolher materiais com coeficiente de expansão térmica semelhante ao desses componentes para nos ajudar a minimizar o estresse e, eventualmente, prevenir falhas devido a flutuações de temperatura. Além disso, o uso de materiais com menor constante dielétrica pode servir para reduzir a probabilidade de formação de pontos quentes na placa e aumentar a dissipação de calor.
Colocação de Componentes Estratégicos
O gerenciamento térmico eficaz depende do posicionamento cuidadoso dos componentes. Os componentes que geram calor devem ser posicionados perto de dispositivos de resfriamento, como ventoinhas ou dissipadores de calor, e devem ser colocados em áreas bem ventiladas. É aconselhável manter pelo menos 2 cm de distância entre os componentes de alta potência para que eles dissipem o calor adequadamente. O espaçamento também evita o acúmulo localizado de calor e ajuda a placa a manter a temperatura uniforme.
Implementação de matrizes térmicas via
O uso de matrizes de vias térmicas também pode melhorar a condução de calor em PCBs. Essas matrizes vêm em duas variedades principais: vias simples e vias preenchidas e encapsuladas. As vias simples são populares por sua capacidade de redução da resistência térmica; no entanto, as vias preenchidas e encapsuladas geralmente apresentam desempenho superior na dissipação de calor, pois podem ser colocadas diretamente sob as almofadas térmicas para extrair o calor de forma mais eficiente.
Largura e espessura de traço suficientes
O desempenho térmico de um PCB depende muito do largura do traço de cobre e espessura. A provisão de caminhos de baixa impedância para o fluxo de corrente requer dimensões adequadas. Em áreas de alta corrente, isso é especialmente importante, pois dimensões insuficientes do traço podem causar um aumento na perda de potência e na geração de calor. Portanto, é importante que a largura e a espessura do traço sejam cuidadosamente consideradas para minimizar os problemas de aquecimento.
Utilizando dissipadores de calor
Dissipadores de calor por condução são eficazes em dispositivos de resfriamento, onde a área de alta temperatura é transferida para a área de baixa temperatura por condução. Para isso, eles removem o calor dos componentes da placa de circuito impresso e o liberam através de aletas com maior área de superfície. Ao selecionar um dissipador de calor, os projetistas devem analisar a resistividade térmica do material, o design das aletas, a técnica de montagem e o material de interface térmica utilizado.
Usando tubos de calor
Em projetos compactos com espaço limitado, os tubos de calor são uma solução adequada para transferência passiva de calor. Eles oferecem resfriamento confiável com operação silenciosa e sem vibrações, boa condutividade térmica e baixa necessidade de manutenção. O tubo geralmente contém pequenas quantidades de nitrogênio, água, acetona ou amônia. Eles absorvem o calor, transportando o vapor ao longo do tubo. À medida que o vapor passa, o tubo possui um condensador, que o transforma em líquido novamente e o ciclo continua.
Implementando ventiladores de resfriamento
Outra técnica popular de gerenciamento térmico de PCBs é o uso de ventiladores de resfriamento que expulsam o ar quente da área para evitar o superaquecimento. Essa técnica é bem conhecida para aplicações de alta corrente, como fontes de alimentação, pois esses ventiladores oferecem uma remoção de calor conveniente e, principalmente, rápida, permitindo que os componentes funcionem com eficiência e durem mais.
Como identificar problemas térmicos em PCB?
Mesmo com um projeto cuidadoso, problemas térmicos podem surgir. Você precisa saber como identificá-los. Aqui estão alguns métodos para detectar problemas térmicos:
- Ferramenta de análise térmica de PCB
A modelagem térmica é uma parte fundamental da análise térmica no projeto de PCBs para análise de falhas. Ela também fornece aos projetistas insights sobre problemas térmicos inerentes ao seu circuito e os auxilia na seleção de métodos de resfriamento e técnicas de projeto de PCBs adequados. Os projetistas de PCBs podem usar softwares de modelagem adequados para determinar qual é o melhor layout ou a melhor posição dos componentes no layout. A modelagem térmica permite que os projetistas entendam de forma rápida e fácil os padrões de fluxo de calor, projetem dissipadores de calor e criem o resfriamento para dispositivos ativos.
- Inspecione visualmente a placa
A inspeção visual é outra abordagem para detectar superaquecimento, componentes queimados ou parcialmente danificados, juntas secas e arcos elétricos. Componentes estufados ou queimados e manchas descoloridas na placa de circuito impresso são indicadores visíveis. Além dos sinais visuais, odores estranhos na placa também podem indicar problemas de aquecimento. Essa técnica simples permite a identificação rápida de problemas térmicos sem precisar ligar a placa.
- Use câmeras infravermelhas
Câmeras infravermelhas permitem a avaliação indolor de protótipos de placas energizadas em busca de culpados pelo calor e problemas desconhecidos que você não consegue ver a olho nu. Essas câmeras também mostram em quais partes o calor é gerado e auxiliam na distinção entre peças falsificadas ou defeituosas com base em sua assinatura térmica em comparação com os componentes originais. Além disso, as câmeras termográficas são capazes de detectar trilhas de PCB com solda insuficiente, o que resulta em maior resistência e maior dissipação de calor.
Palavras finais
O gerenciamento térmico eficaz de PCBs é essencial para alcançar a confiabilidade e o desempenho de dispositivos eletrônicos. As questões térmicas tornam-se o principal aspecto a ser considerado no início do processo de projeto. Utilizando as técnicas mencionadas acima, podemos gerenciar eficazmente o calor da placa. À medida que os produtos eletrônicos evoluem para designs menores e mais compactos, com um número cada vez maior de funções, certamente apresentarão maiores desafios para o gerenciamento térmico de PCBs. Portanto, para projetistas de PCBs, aprender técnicas de gerenciamento térmico de PCBs é uma habilidade necessária.
