Diseño y ensayo térmico: soluciones para el calentamiento anormal de PCBA

El calentamiento anormal en PCBA (ensamblaje de placas de circuito impreso) es un problema crítico que puede afectar gravemente elrendimiento, confiabilidad y vida útilEl mercado de los productos electrónicosdiseño térmico y pruebas rigurosasLas medidas de reducción de la contaminación son esenciales para abordar y mitigar estos problemas relacionados con el calor.

Comprender el calentamiento anormal de la PCBA

El calor excesivo en un PCBA generalmente es causado por varios factores:

• Consumo de energía elevado:Los componentes (como CPU, GPU, IC de potencia, LED) generan calor proporcional a la potencia que disipan.
• Diseño ineficiente de los componentes:Una mala colocación puede dar lugar a puntos calientes localizados o obstaculizar el flujo de aire.
• Vías de disipación de calor inadecuadas:Copro insuficiente en trazas de PCB, falta de vías térmicas o malas interfaces térmicas con disipadores de calor.
• Mecanismos de refrigeración insuficientes:Ausencia de disipadores de calor, ventiladores o ventilación adecuada del recinto.
• Factores ambientales:Las altas temperaturas ambientales pueden exacerbar los problemas de calefacción.

Diseño térmico: Prevenir el calor antes de que se inicie

El diseño térmico efectivo consiste en incorporar la gestión del calor en el PCBA desde cero.

1. Selección de componentes:

   • Priorizar las cosascomponentes eficientes en energíacon corrientes quijantes más bajas y mayores eficiencias.
   • Seleccione los componentes conresistencia térmica adecuadapara su disipación de energía esperada.

2. Optimización del diseño de PCB:

   • Colocación estratégica de los componentes:Colocar los componentes de alta disipación de potencia (por ejemplo, IC de potencia, procesadores, reguladores de voltaje) lejos de los componentes sensibles al calor (por ejemplo, sensores, circuitos analógicos de precisión, condensadores electrolíticos).
   • Vías térmicas:Incorporate a grid of thermal vias (small holes filled with copper) under power components to conduct heat efficiently from the component pad through to internal copper layers or to the other side of the board for heat sinking.
   • Las condiciones de producción de los materiales de ensayo se determinarán en función de los resultados obtenidos en el ensayo.Utilice grandes depósitos de cobre o aviones de tierra/potencia dedicados comocapas de dispersión de calorCuanto más cobre, mejor la conducción del calor.
   • Tamaño del rastro:Asegúrese de que las vías de alimentación sean lo suficientemente anchas como para transportar la corriente requerida sin un calentamiento resistivo excesivo (Yo...2Rlas pérdidas).

3. Los sumideros y los ventiladores:

   • Disolventes de calor:Los disipadores de calor se conectan directamente a los componentes de alta potencia, lo que aumenta la superficie disponible para la convección de calor al aire circundante.El material de interfaz térmica (TIM) adecuado entre el componente y el disipador de calor es crucial.
   • Los fans:Para una mayor disipación de energía, el enfriamiento activo con ventiladores puede aumentar significativamente el flujo de aire sobre los disipadores de calor y el PCBA, lo que ayuda a eliminar el calor.y consumo de energía.

4. Diseño del recinto:

   • Ventilación:Diseñar el recinto con suficientes respiraderos y aberturas estratégicamente ubicadas para permitir la convección natural (efecto chimenea) o el flujo de aire forzado de los ventiladores.
   • Selección del material:Los recintos metálicos pueden actuar como disipadores de calor adicionales, disipando el calor a través de sus superficies.

5. Simulación térmica:

   • UtiliceHerramientas de ingeniería asistida por ordenador (CAE)ySoftware de simulación térmicaEl objetivo de este estudio es desarrollar un enfoque de la tecnología de la información (por ejemplo, ANSYS, Mentor Graphics FloTHERM, COMSOL) al principio de la fase de diseño.
   • Objetivo:Para predecir la distribución de la temperatura, identificar posibles puntos calientes y evaluar la eficacia de diferentes soluciones de enfriamiento antes de la creación de prototipos físicos, ahorrando tiempo y costes.

Prueba térmica: validación del diseño

Una vez que el PCBA es prototipo, es esencial realizar pruebas térmicas rigurosas para validar el diseño y confirmar que funciona dentro de los límites de temperatura seguros en diversas condiciones.

1. La cámara térmica/termografía infrarroja:

   • Objetivo:Para identificar visualmente y mapear la distribución de la temperatura en toda la superficie del PCBA.
   • Método:Una cámara infrarroja captura imágenes térmicas, revelando puntos calientes y gradientes de temperatura en tiempo real.

2. La medición del termoparejo/sensor de temperatura:

   • Objetivo:Obtener lecturas precisas de temperatura en puntos específicos de los componentes o del PCB.
   • Método:Los pequeños termopares o sensores RTD (Detector de Temperatura de Resistencia) están conectados a los puntos clave de interés.especialmente durante el funcionamiento funcional y las pruebas de resistencia.

3. Las cámaras de medio ambiente:

   • Objetivo:Para probar el rendimiento térmico del PCBA bajo una gama de condiciones ambientales controladas.
   • Método:El PCBA se coloca en uncámara de temperatura(o unacámara de choque térmicoPara ello, se utiliza un sistema de simulación de condiciones de funcionamiento de frío extremo a calor extremo, que permite verificar el rendimiento y identificar fallos debidos a la tensión térmica.

4. Prueba de envejecimiento (prueba de combustión) con control de temperatura:

   • Objetivo:Operar el PCBA bajo tensión continua (incluida la temperatura elevada) durante un período prolongado para identificar "fallas tempranas" y garantizar la fiabilidad a largo plazo.
   • Método:Los PCBA se ejecutan típicamente en unhorno de combustiónEl objetivo de este estudio es evaluar la eficacia de las tecnologías de la información y de la comunicación, en particular las tecnologías de la información y de la comunicación.

5. Medición del flujo de aire y de la presión:

   • Objetivo:Para los diseños que impliquen enfriamiento activo (ventiladores), garantizar un flujo de aire y una caída de presión adecuados dentro del recinto.
   • Método:Se utilizan anemómetros (para la velocidad del flujo de aire) y manómetros de presión para caracterizar el rendimiento de refrigeración.

Al integrar los principios de diseño térmico proactivo con pruebas térmicas integrales, los fabricantes pueden abordar eficazmente el calentamiento anormal del PCBA, lo que conduce a un diseño más robusto, confiable,y productos electrónicos de alto rendimiento.