Guia Completo de Gerenciamento de Temperatura em PCB

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

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

Seja qual for a razão, engenheiros precisam de maneiras de gerenciar calor para garantir que PCBs possam sobreviver aos altos estresses térmicos que inevitavelmente encontrarão. Quais são algumas técnicas eficazes de dissipação de calor em PCB e maneiras de prevenir aumento de temperatura em PCB? Responderemos a estas perguntas em mais detalhes abaixo.

Por que Monitorar a Temperatura do PCB é Importante?

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

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

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

• Perda de integridade estrutural: 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, elas expandem e contraem. Calor excessivo pode levar a empenamento nos comprimentos, larguras e espessuras de diferentes camadas de PCB.
• Disrupção de linhas de circuito: Calor excessivo pode resultar em danos ao circuito também. Linhas de circuito 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. Sua impedância de 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 deformarem em altas temperaturas.
• Taxas incompatíveis de expansão de material: Os efeitos prejudiciais acima são agravados pelo fato de que diferentes materiais expandem em taxas diferentes. Um PCB tem dois tipos básicos de camadas: camadas dielétricas e camadas de metal condutivo. Como contêm materiais diferentes, eles expandem de forma diferente em resposta ao calor. Então, um PCB superaquecido pode sofrer mais danos à medida que os diferentes tipos de camadas se separam.
• Oxidação: Oxidação de componentes de PCB também é uma preocupação em altas temperaturas. Material dielétrico exposto em PCBs não tem proteção contra oxidação se não tiver revestimento laminado protetor. Nesse caso, o material pode enferrujar após exposição a alto calor. Perda de linhas de transmissão e fator de dissipação mais alto frequentemente resultam.

Como Medir a Temperatura do PCB

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

Também é necessário encontrar os pinos de terra (GND), que geralmente estão conectados ao substrato da fonte de calor. Uma grande porcentagem do calor gerado em um PCB move-se para o sensor de temperatura através destes pinos GND. Como os pinos 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 estas informações, o monitoramento de temperatura pode começar. A medição de temperatura do PCB tipicamente envolve três etapas diferentes:

1. Coloque um plano de terra entre os sensores de temperatura e a fonte de calor.
2. Conecte os pinos GND de cada sensor de temperatura ao plano de terra 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 estas etapas permitirá que você meça as temperaturas da fonte primária de calor — e, portanto, do PCB como um todo — com precisão e exatidão.

Qual é a Temperatura Máxima que um PCB Suporta?

Quanto calor um PCB suporta depende dos materiais dos quais é composto. Materiais com propriedades térmicas ideais fornecem resistência confiável contra efeitos de alto calor, enquanto alguns materiais resistem menos confiavelmente a altas temperaturas. A métrica conhecida como temperatura de transição vítrea (TG) ajuda a indicar esta resistência. Por exemplo, FR-4 tem TG de cerca de 135 graus Celsius.

PCBs são tipicamente definidos como PCBs de alta temperatura se podem suportar um limite de temperatura de 150 graus Celsius. Alguns PCBs de alta temperatura podem suportar calor ainda maior, mas placas fabricadas com materiais com menor 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 automotivas e industriais onde temperaturas extremas fazem parte do ambiente de trabalho.

Causas Comuns de Alta Temperatura em um PCB

1. Mau Funcionamento de Componente Causando Dissipação

Uma causa comum de alta temperatura em um PCB é que um componente dentro do PCB mau funciona e dissipa, falhando em gerar a quantidade de energia que tipicamente produz. Quando isso acontece, os componentes ao redor têm que gerar mais energia para compensar. Gerar mais energia leva ao risco de superaquecimento.

2. Interferência Through-Hole

Componentes through-hole e componentes de 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 com o through-hole, os outros componentes gerarão mais calor que o normal para compensar. Este cenário também leva a risco de superaquecimento.

3. Distância de Dispositivos de Montagem em Superfície

Dispositivos de montagem em superfície (SMDs) conectam ao PCB da mesma forma que componentes through-hole. Eles permitem um fluxo mais suave de corrente através dos componentes through-hole e dissipador de calor. Mas os componentes through-hole e os SMDs devem ser posicionados à distância correta um do outro. Se estiverem muito longe, a corrente terá mais caminho para percorrer. 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 naturalmente produz mais calor.

Circuitos de radiofrequência, por exemplo, representam um setor em rápido crescimento na engenharia de PCB. Estes circuitos são altamente complexos, mas têm muitas aplicações úteis, desde segurança sem fio em produtos médicos e industriais até smartphones. Estes circuitos de alta frequência tendem a gerar quantidades tremendas de calor, então técnicas especiais de design são necessárias para estes 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). PCBs RoHS usam solda sem chumbo, e solda sem chumbo requer altas temperaturas para fluir livremente.

Como Prevenir Altas Temperaturas em um PCB

Como vimos, prevenir um aumento de temperatura do PCB é crítico. Mas como você pode reduzir calor em um PCB? Engenheiros podem empregar algumas técnicas diferentes de dissipação de calor em PCB:

1. Dissipadores de Calor

Um PCB é basicamente uma fábrica de geração de calor por causa de todos os componentes produtores de calor que contém. O PCB precisa de alguma maneira de 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. Ventoinhas

A maioria dos dispositivos eletrônicos contém ventoinhas para resfriamento, e parte do propósito dessas ventoinhas é ajudar a resfriar PCBs. Ventoinhas de resfriamento dispersam calor para fora de dispositivos eletrônicos enquanto deixam ar frio entrar, ajudando a prevenir superaquecimento e estender a vida útil e desempenho do PCB.

3. Considerando Materiais e Componentes

Escolher materiais resistentes ao calor é uma das estratégias mais eficazes para reduzir calor em um PCB. Por exemplo, PCBs de cobre pesado 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 períodos mais longos e fornecem pontos de conexão mais fortes que PCBs padrão. Por estas razões, são particularmente úteis em aplicações automotivas, aviação, máquinas pesadas e conversores de potência e outros ambientes pesados.

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

Materiais como materiais RF — usados em circuitos de radiofrequência — e poliamida também são sensíveis a altas temperaturas. Politetrafluoroetileno (PTFE) é extremamente comum em placas RF, mas pode manchar sob o calor da perfuração, e a mancha é muito difícil de remover. Estes materiais não são tão comuns em PCBs quanto FR-4, mas engenheiros devem ter cautela em seus designs se estiverem trabalhando com estes materiais também. Fazer uso de um laminado de alta temperatura nestas situações é altamente recomendado.

4. Aumentando Espessura e Largura da Placa

Em PCBs, placas mais grossas tendem a conduzir calor menos eficazmente que as mais finas. Elas requerem mais energia para atingir altas temperaturas, então com a engenharia certa, elas podem ajudar a reduzir o risco de superaquecimento, empenamento e disrupção.

5. Aplicando Laminados

Aplicar laminados é outra maneira de prevenir danos de altas temperaturas. Laminados de PCB de alta temperatura podem prevenir superaquecimento oferecendo proteção térmica para os componentes do PCB.

Laminados de alta temperatura devem ter as seguintes propriedades protetoras:

• Temperatura de transição vítrea (TG): Temperatura de transição vítrea refere-se à temperatura na qual polímeros mudam termodinamicamente de rígidos para macios. PCBs de alto TG oferecem proteção superior.
• Tempo para delaminação: Alto calor pode delaminar um laminado de PCB ao longo do tempo. Os melhores laminados levarão muito tempo para se delaminar em altas temperaturas.
• Absorção de umidade: Laminados de PCB devem ter capacidades confiáveis de absorção de umidade protetora. Se o PCB operará em ambiente controlado como laboratório, absorção de umidade pode não ser prioridade alta. Mas se o PCB operará em ambiente onde pode ser exposto aos elementos, capacidades adequadas de absorção de umidade são críticas.
• Temperatura de decomposição (TD): Temperatura de decomposição refere-se à temperatura na qual 5% da massa do laminado é perdida por decomposição. Alta temperatura de decomposição oferece proteção superior.
• Expansão no eixo Z: Expansão no eixo Z refere-se à expansão do material ao longo do eixo Z como porcentagem do coeficiente de expansão térmica. Menor expansão no eixo Z também oferece proteção superior.

6. Alinhando CTEs

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

Em um stack multicamada, se CTEs não estiverem alinhados, as camadas expandirão em taxas radicalmente diferentes, o que pode causar empenamento e disrupção. Se esta expansão desigual ocorrer durante a montagem do PCB, os desalinhamentos também podem causar sérios problemas para perfuração.

Escolher materiais de PCB com CTEs mais baixos ajuda a prevenir superaquecimento. Por exemplo, PTFE preenchido com vidro tecido ou microfibras de vidro tem excelentes características elétricas, mas também tem CTE alto. Então este material é uma escolha ruim quando robustez térmica é prioridade máxima. Por outro lado, PTFE preenchido com cerâmica tem CTE mais baixo e funciona muito melhor em altas temperaturas, embora perca um pouco em características elétricas.

7. Mantendo Espaçamento Adequado

Determinar espaçamento de componentes em um PCB pode ser um processo complicado. Quando componentes da placa estão muito próximos, crosstalk pode resultar — ou seja, diferentes componentes podem começar a interagir uns com os outros de maneiras indesejadas. Estas interações indesejadas levam a algo conhecido como efeito pele. Quando o efeito pele ocorre, resistências de trilha aumentam, levando a perdas resistivas e adicionando calor ao circuito. O efeito pele é particularmente comum com PCBs de alta frequência, então engenheiros devem ter cuidado extra com espaçamento de componentes para manter as placas longe de superaquecimento.

8. Integrando Heat Pipes Corretamente

Heat pipes em um PCB podem ajudar a dispersar calor também. O líquido nos tubos pode absorver calor e prevenir que ele danifique os componentes da placa.

9. Maximizando RTI e MOT

Índice térmico relativo (RTI) e temperatura máxima de operação (MOT) são duas medições relevantes que engenheiros devem prestar atenção cuidadosa no design de PCBs.

RTI indica a temperatura mais alta que um material pode suportar sem sofrer mudanças em suas propriedades ou redução em seu desempenho. MOT refere-se à temperatura mais alta que uma configuração particular de placa de circuito pode suportar sem sofrer mudanças em suas propriedades ou diminuição de seu desempenho. Engenheiros devem manter ambas as medições em mente no design de PCBs e escolher materiais e componentes de circuito com robusta resistência ao calor conforme determinado por estas métricas.

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