Guia de Temperatura PCB

Ir para:

• Como medir a temperatura do PCB
• Quanto calor pode suportar uma placa de circuito impresso?
• Causas comuns de alto calor em um PCB
• Como evitar altas temperaturas em um PCB
• Entre em contato com a MCL para todas as suas necessidades de PCB

A temperatura é um elemento importante de segurança, confiabilidade e desempenho em placas de circuito impresso (PCBs). Altas temperaturas podem levar rapidamente a avarias e danos permanentes.

Várias circunstâncias podem introduzir calor no funcionamento de um PCB. Um componente montado na PCB pode produzir calor excessivo. Um elemento externo – por exemplo, outro componente em um sistema complexo como um sistema aeroespacial ou aplicação médica – pode gerar calor excessivo. O calor pode se acumular no PCB devido à ventilação inadequada. Ou durante a montagem do PCB, o calor produzido durante a perfuração e soldagem pode causar estresse térmico indevido nos componentes e levar a placas defeituosas.

Seja qual for o motivo, os engenheiros precisam de maneiras de gerenciar o calor para garantir que os PCBs possam sobreviver às altas tensões térmicas que inevitavelmente encontrarão. Quais são algumas técnicas eficazes de dissipação de calor do PCB e maneiras de evitar o aumento da temperatura do PCB? Responderemos a essas perguntas com mais detalhes a seguir.

Por que o monitoramento da temperatura do PCB é importante?

O monitoramento da temperatura do PCB é crítico porque altas temperaturas podem alterar a estrutura do PCB e diminuir seu desempenho ou causar sua quebra.

A medição da temperatura do PCB também é crítica porque os problemas resultantes das altas temperaturas não permanecem localizados. Eles podem se espalhar rapidamente para outros componentes do PCB e causar uma cascata de mau funcionamento e danos.

O calor excessivo em um PCB pode causar os seguintes tipos de danos:

• Perda de integridade estrutural: O calor excessivo pode danificar a integridade de um PCB. As camadas de um PCB são altamente sensíveis a flutuações de temperatura e, quando ficam muito quentes ou frias, expandem e contraem. O calor excessivo pode levar a deformações nos comprimentos, larguras e espessuras de diferentes camadas de PCB.
• Interrupção de linhas de circuito: O calor excessivo também pode resultar em danos ao circuito. As linhas de circuito se expandem e mudam de forma quando superaquecem. Uma vez que isso acontece, os circuitos tornam-se suscetíveis a mudanças de frequência, distorções e perdas diretas. A impedância do condutor também pode mudar de seu valor padrão de 50 ohms. Circuitos de ondas milimétricas e circuitos de micro-ondas, em particular, têm componentes minúsculos e delicados que podem facilmente sofrer danos se expandirem e se deformarem em altas temperaturas.
• Taxas incompatíveis de expansão de material: Os efeitos prejudiciais mencionados acima são agravados pelo fato de que materiais diferentes se expandem em taxas diferentes. Um PCB tem dois tipos básicos de camadas:camadas dielétricas e camadas metálicas condutoras. Por conterem materiais diferentes, eles se expandem de maneira diferente em resposta ao calor. Portanto, um PCB superaquecido pode sofrer mais danos à medida que os diferentes tipos de camadas se separam.
• Oxidação: A oxidação de componentes de PCB também é uma preocupação em altas temperaturas. O material dialético exposto em PCBs não possui proteção contra oxidação se não possuir um revestimento laminado protetor. Nesse caso, o material pode enferrujar após exposição a altas temperaturas. A perda de linhas de transmissão e um fator de dissipação mais alto geralmente resultam.

Como medir a temperatura do PCB

Antes de medir a temperatura do PCB, é essencial determinar a fonte primária de calor no PCB – normalmente o microcontrolador ou microprocessador – bem como localizar os sensores de temperatura.

Também é necessário encontrar os pinos de aterramento (GND), que geralmente são fixados ao substrato da fonte de calor. Uma grande porcentagem do calor gerado em um PCB se move para o sensor de temperatura através desses pinos GND. Como os pinos se conectam ao substrato, eles têm a menor resistência térmica de qualquer componente do PCB entre o sensor de temperatura e a fonte de calor.

Uma vez que você tenha essas informações, o monitoramento da temperatura pode começar. A medição da temperatura do PCB normalmente envolve três etapas diferentes:

1. Coloque um plano de aterramento entre os sensores de temperatura e a fonte de calor.
2. Conecte os pinos GND de cada sensor de temperatura ao plano de aterramento da fonte de calor.
3. Certifique-se de que os sensores de temperatura e a fonte de calor permaneçam próximos um do outro no PCB.

Seguir essas etapas permitirá que você meça as temperaturas da fonte primária de calor – e, portanto, da PCB como um todo – com exatidão e precisão.

Qual ​​é a temperatura máxima que um PCB pode suportar?

A quantidade de calor que um PCB pode suportar depende dos materiais de que é composto. Materiais com propriedades térmicas ideais fornecem resistência confiável contra os efeitos do calor elevado, enquanto alguns materiais resistem de forma menos confiável a altas temperaturas. A métrica conhecida como temperatura de transição vítrea (TG) ajuda a indicar essa resistência. Por exemplo, FR-4 tem um TG de cerca de 135 graus Celsius.

Os PCBs são normalmente definidos como PCBs de alta temperatura se puderem suportar um limite de temperatura de 150 graus Celsius. Alguns PCBs de alta temperatura podem suportar calores ainda mais altos, mas placas fabricadas com materiais com menos resistência ao calor poderão operar com segurança apenas em temperaturas muito mais baixas. PCBs de alta temperatura estão se tornando cada vez mais comuns em aplicações como aplicações automotivas e industriais onde temperaturas extremas fazem parte do ambiente de trabalho.

Causas comuns de alto calor em um PCB

1. Mau funcionamento do componente causando dissipação

Uma causa comum de alto calor em um PCB é que um componente dentro do PCB funciona mal e se dissipa, deixando de gerar a quantidade de energia que normalmente produz. Quando isso acontece, os componentes ao redor precisam gerar mais energia para compensar. Gerar mais energia leva ao risco de superaquecimento.

2. Interferência de passagem

Os componentes do orifício de passagem e os componentes do dissipador de calor são os componentes do PCB que fornecem energia. Eles geram calor e o dissipam no ar. Se um dissipador de calor for soldado incorretamente ou se um componente diferente do PCB estiver interferindo no orifício de passagem, os outros componentes gerarão mais calor do que o normal para compensar. Este cenário também leva a um risco de superaquecimento.

3. Distância do dispositivo de montagem em superfície

Os dispositivos de montagem em superfície (SMDs) conectam-se à PCB da mesma forma que os componentes de orifício. Eles permitem um fluxo mais suave de corrente através do orifício de passagem e dos componentes do dissipador de calor. Mas os componentes do furo passante e os SMDs devem ser posicionados na distância correta um do outro. Se estiverem muito longe, a corrente terá mais para viajar. O tempo extra que a corrente leva para viajar pode fazer com que os componentes receptores fiquem frios por muito tempo. Quando isso acontece, outros componentes podem superaquecer para compensar.

4. Circuitos de alta frequência

Altas temperaturas são particularmente prováveis ​​em aplicações que fazem uso de circuitos de alta frequência. A razão é que a geração de mais energia produz naturalmente mais calor.

Os circuitos de radiofrequência, por exemplo, representam um setor em rápido crescimento na engenharia de PCBs. Esses circuitos são altamente complexos, mas têm muitas aplicações úteis, desde segurança sem fio em produtos médicos e industriais até smartphones. Esses circuitos de alta frequência tendem a gerar enormes quantidades de calor, portanto, técnicas especiais de projeto são necessárias para esses tipos de PCBs.

5. Solda sem chumbo

Como um todo, a indústria de PCB está se movendo em direção à restrição de substâncias perigosas (RoHS). Os PCBs RoHS usam solda sem chumbo, e a solda sem chumbo requer altas temperaturas para que possa fluir livremente.

Como evitar altas temperaturas em um PCB

Como vimos, evitar um aumento de temperatura do PCB é fundamental. Mas como você pode reduzir o calor em um PCB? Os engenheiros podem empregar algumas técnicas diferentes de dissipação de calor de PCB:

1. Dissipadores de calor

Uma PCB é basicamente uma fábrica geradora de calor por causa de todos os componentes produtores de calor que ela contém. O PCB precisa de alguma forma para dissipar toda essa energia térmica. Geralmente, a resposta envolve dissipadores de calor. Dissipadores de calor dissipam o calor com segurança para que não se acumule e danifique a placa.

2. Fãs

A maioria dos dispositivos eletrônicos contém ventiladores para resfriamento, e parte do propósito desses ventiladores é ajudar a resfriar PCBs. Os ventiladores de resfriamento dispersam o calor dos dispositivos eletrônicos enquanto permitem a entrada de ar frio, ajudando a evitar o superaquecimento e prolongar a vida útil e o desempenho do PCB.

3. Considerando Materiais e Componentes

Escolher materiais resistentes ao calor é uma das estratégias mais eficazes para reduzir o calor em um PCB. Por exemplo, PCBs de cobre pesados ​​construídos com placas de cobre grossas são excelentes escolhas por sua durabilidade e capacidade de suportar altas temperaturas. Eles lidam com níveis mais altos de correntes, resistem a temperaturas mais altas por mais tempo e fornecem pontos de conexão mais fortes do que PCBs padrão. Por essas razões, eles são particularmente úteis em aplicações automotivas, de aviação, máquinas pesadas e conversores de energia e outros ambientes de serviço pesado.

Muitos PCBs contêm FR-4, que, embora seja útil como retardante de chamas, não tolera temperaturas extremamente altas. Saber que um PCB contém FR-4 em sua construção pode permitir que os engenheiros projetem circuitos que não gerem mais calor do que o material pode suportar.

Materiais como materiais de RF — usados ​​em circuitos de radiofrequência — e poliamida também são sensíveis a altas temperaturas. Politetrafluoretileno (PTFE) é extremamente comum em placas de RF, mas pode manchar sob o calor da perfuração, e a mancha é muito difícil de remover. Esses materiais não são tão comuns em PCBs quanto o FR-4, mas os engenheiros devem ter cuidado em seus projetos se também estiverem trabalhando com esses materiais. O uso de um laminado de alta temperatura nessas situações é altamente recomendado.

4. Aumentando a espessura e a largura da placa

Em PCBs, as placas mais grossas tendem a conduzir o calor de forma menos eficaz do que as mais finas. Eles exigem mais energia para atingir altas temperaturas, portanto, com a engenharia correta, podem ajudar a reduzir o risco de superaquecimento, deformação e interrupção.

5. Aplicação de laminados

A aplicação de laminados é outra maneira de evitar danos causados ​​por altas temperaturas. Os laminados de PCB de alta temperatura podem evitar o superaquecimento, oferecendo proteção térmica para os componentes do PCB.

Os laminados de alta temperatura devem ter as seguintes propriedades protetoras:

• Temperatura de transição vítrea (TG):A temperatura de transição vítrea refere-se à temperatura na qual os polímeros mudam termodinamicamente de rígido para macio. PCBs de alto TG oferecem proteção superior.
• Tempo para delaminação:O calor elevado pode delaminar um laminado de PCB ao longo do tempo. Os melhores laminados levarão muito tempo para serem delaminados em altas temperaturas.
• Absorção de umidade:os laminados de PCB devem ter capacidades de absorção de umidade confiáveis ​​e protetoras. Se o PCB operar em um ambiente com ar controlado, como um laboratório, a absorção de umidade pode não ser uma prioridade alta. Mas se o PCB operar em um ambiente onde possa ficar exposto aos elementos, as capacidades adequadas de absorção de umidade são críticas.
• Temperatura de decomposição (TD):A temperatura de decomposição refere-se à temperatura na qual 5% da massa do laminado é perdido devido à decomposição. Uma alta temperatura de decomposição oferece proteção superior.
• Expansão do eixo Z:a ​​expansão do eixo Z refere-se à expansão do material ao longo do eixo z como uma porcentagem do coeficiente de expansão térmica. A expansão do eixo z inferior também oferece proteção superior.

6. Alinhando CTEs

O coeficiente de expansão térmica (CTE) mede o quanto um material se expande quando exposto a altas temperaturas. No projeto de PCB, é ideal que as camadas dielétricas tenham um CTE semelhante ao das camadas de cobre. Dessa forma, se as camadas se expandirem, elas o farão de maneira uniforme, causando danos mínimos.

Em uma pilha multicamada, se os CTEs não estiverem alinhados, as camadas se expandirão em taxas radicalmente diferentes, o que pode causar distorção e interrupção. Se essa expansão desigual ocorrer durante a montagem da PCI, os desalinhamentos também podem causar sérios problemas na perfuração.

Escolher materiais de PCB com CTEs mais baixos ajuda a evitar o superaquecimento. Por exemplo, PTFE preenchido com fibra de vidro ou microvidro tem excelentes características elétricas, mas também possui um alto CTE. Portanto, este material é uma má escolha quando a tenacidade térmica é uma prioridade. Por outro lado, o PTFE preenchido com cerâmica tem um CTE mais baixo e tem um desempenho muito melhor em altas temperaturas, embora perca um pouco nas características elétricas.

7. Mantendo o espaçamento adequado

Determinar o espaçamento dos componentes em um PCB pode ser um processo complicado. Quando os componentes da placa estão muito próximos, pode ocorrer diafonia - ou seja, componentes diferentes podem começar a interagir uns com os outros de maneiras indesejáveis. Essas interações indesejadas levam a algo conhecido como efeito da pele. Quando ocorre o efeito pelicular, as resistências dos traços aumentam, levando a perdas resistivas e adicionando calor ao circuito. O efeito de pele é particularmente comum com PCBs de alta frequência, portanto, os engenheiros devem tomar cuidado extra com o espaçamento dos componentes para evitar o superaquecimento das placas.

8. Integrando tubos de calor corretamente

Os tubos de calor em um PCB também podem ajudar a dispersar o calor. O líquido nos tubos pode absorver o calor e evitar que danifique os componentes da placa.

9. Maximizando RTI e MOT

Índice térmico relativo (RTI) e temperatura operacional máxima (MOT) são duas medições relevantes que os engenheiros devem prestar muita atenção no projeto de PCBs.

O RTI indica a temperatura mais alta que um material pode suportar sem sofrer alterações em suas propriedades ou redução em seu desempenho. MOT refere-se à temperatura mais alta que uma determinada configuração de placa de circuito pode suportar sem sofrer alterações em suas propriedades ou diminuição de seu desempenho. Os engenheiros devem manter essas duas medidas em mente no projeto de PCBs e escolher materiais e componentes de circuito com resistência ao calor robusta, conforme determinado por essas métricas.

Entre em contato com a MCL para todas as suas necessidades de PCB

Quando você precisar de PCBs projetados para controle de temperatura, faça da Millenium Circuits Limited seu fornecedor confiável para soluções de engenharia. Nossos laminados de PCB de alta temperatura ajudam a reduzir o risco de superaquecimento em PCBs, e nossos PCBs de cobre pesado e PCBs de alto TG oferecem capacidade superior de suportar altas temperaturas. Também podemos ajudar a facilitar o design de PCBs personalizados de acordo com suas especificações.

Contacte-nos hoje para um orçamento ou para saber mais.

Solicite um orçamento gratuito