Tu guía completa para el análisis térmico de PCB

Las propiedades físicas del sustrato y los conductores de cobre de tu PCB son los principales factores que determinan cómo se calentará tu placa de circuito durante su funcionamiento. Las técnicas de análisis térmico de las placas de circuito impreso pretenden pronosticar cuándo y dónde se calentará una placa durante el funcionamiento, así como cuánto se calentará. Esta importante parte del análisis está orientada a garantizar la fiabilidad a nivel de componente y de placa de PCB, y puede influir en muchas decisiones de diseño.

Si utilizas el mejor software de diseño de placas de circuito impreso, te resultará fácil diseñar una placa con una alta fiabilidad y bajas temperaturas durante el funcionamiento. Por eso, Altium Designer cuenta con las mejores herramientas de diseño de placas de circuitos impresos, además de una biblioteca de materiales que te ayudan a garantizar esa fiabilidad. Tendrás todo lo que necesitas para implementar las mejores prácticas para la gestión térmica en la distribución y el stackup (apilado) de tu PCB. A continuación, te contamos cómo puedes entender mejor el análisis térmico de PCB y diseñar tu próxima placa de circuito impreso para garantizar su fiabilidad.

Altium Designer

Se trata de un paquete de diseño de PCB unificado que integra funciones de diseño avanzadas con una biblioteca completa de materiales de sustratos y funciones para la planificación de la producción.

Los materiales de tu placa de circuito impreso (PCB) y los componentes usados determinarán cómo se mueve el calor por la placa durante su funcionamiento. Lamentablemente, los materiales de los sustratos de las PCB son aisladores que evitan que el calor se disipe de los componentes calientes. Los conductores de cobre y las capas de plano pueden ser de ayuda, pero hay algunas opciones de diseño simples que influirán en la temperatura de equilibrio de tu placa de PCB a medida que esté en marcha. Estas decisiones de diseño de PCB se centran en tres áreas:

• El diseño del stackup de la placa de circuito.
• La selección del material del sustrato.
• La selección y disposición de los componentes.

Aparte de algunas cosas como los ventiladores eléctricos y los disipadores de calor, hay otras elecciones de diseño sencillas que pueden ayudarte a garantizar que tu placa de PCB funcione a bajas temperaturas y no sufra ningún fallo prematuro. Usando el conjunto de herramientas de diseño adecuado, es fácil implementar algunas prácticas recomendadas para la gestión térmica de la PCB.

Uso del análisis térmico para diseñar tu PCB

El objetivo del análisis térmico para el diseño de placas de circuito impreso es determinar cuándo hace falta usar medidas de enfriamiento como ventiladores, disipadores de calor, cobre adicional o vías térmicas para que la temperatura no supere los límites. El diseñador de PCB tiene que seleccionar la temperatura máxima aceptable para los componentes de su placa y luego examinar cómo cambiará la temperatura del componente en función de la potencia que disipe. Así, si la temperatura del componente supera el límite de temperatura aceptable, es posible que haga falta usar medidas de enfriamiento de PCB adicionales como disipadores de calor o ventiladores.

Para empezar el análisis térmico de la PCB, mira la impedancia térmica de un componente, que normalmente se encuentra en la ficha técnica del componente para circuitos integrados. Este valor puede ser tan bajo como unos 20 °C/W para amplificadores de baja potencia o CI, o tan elevado como unos 200 °C/W para microprocesadores potentes. Para determinar la temperatura de funcionamiento, simplemente multiplica el consumo de energía del componente por su impedancia térmica. Esto se define a continuación usando como ejemplo un MOSFET en un paquete SOT.

Temperatura de un componente definida en términos de su impedancia térmica.

En caso de que la temperatura del componente sea demasiado alta, hay algunos pasos que un diseñador de PCB puede seguir para disipar el calor del componente a fin de reducir la impedancia térmica del mismo en el diseño de la PCB:

• Añadir vías térmicas con vertido de polígonos a tierra debajo del componente.
• Utilizar un material de sustrato de PCB con mayor conductividad térmica.
• Añadir un disipador de calor al componente.
• Incluir más cobre debajo del componente, como una capa de plano.
• Utilizar un ventilador para garantizar el flujo de aire frío en todo el paquete de componentes.
• Acoplar la placa directamente a una carcasa metálica con un material de interfaz térmica.

Independientemente de cuál (o cuáles) de estos caminos sigas para reducir la impedancia térmica de la PCB, el primer paso hacia la fiabilidad térmica es crear el diseño del stackup de PCB adecuado utilizando el mejor software de diseño de PCB.

Empieza con el mejor diseño de apilado de PCB

Antes de implementar cualquier otra medida de enfriamiento en el diseño de tu placa de circuito, utiliza el mejor conjunto de herramientas de diseño de PCB para crear el apilado correcto. El "Layer Stackup Manager" (gestor de apilado de capas) de Altium Designer te permite disponer adecuadamente las capas de planos de cobre y el grosor de las capas para garantizar que el sustrato de la PCB presente una conductividad térmica alta. Asimismo, las vías de agujero pasante se pueden definir en el Layer Stackup Manager para cubrir la parte posterior de la placa que se encuentra debajo de los componentes calientes. Sin duda, estos aspectos básicos del diseño de PCB ayudan mucho a disipar calor a los componentes calientes. 

Altium Designer también permite a los usuarios acceder a una biblioteca de materiales de apilado de PCB con propiedades dieléctricas conocidas para los materiales de stackup comunes. Esto proporciona a los diseñadores un control total sobre su diseño del stackup dentro de su software de diseño de PCB, lo que se lo pone más fácil para las aplicaciones como placas de alta velocidad y corriente para sistemas de alimentación. En Altium Designer, puedes diseñar cualquier stackup y seleccionar cualquier material para tu placa de circuito impreso.

• El material de sustrato que elijas será uno de los principales determinantes de la fiabilidad. Esto se debe a que el material adecuado con una alta conductividad térmica puede ayudarte a disipar el calor de los componentes de alta potencia y a mantener los componentes en funcionamiento a bajas temperaturas.

  Obtén más información sobre cómo seleccionar el material de sustrato adecuado. (en inglés)

• Los materiales cerámicos tienen una conductividad térmica mucho mayor que los sustratos FR4 estándar y resultan ideales para usarlos en entornos de altas temperaturas.

  Obtén más información sobre el diseño de placas de circuitos con sustratos cerámicos.

• Independientemente del tipo de materiales que quieras utilizar para el sustrato, te hará falta usar el mejor gestor de apilado de capas de PCB para crear el stackup de tu PCB.

  Obtén más información sobre cómo diseñar tu stackup de capas en Altium Designer.

Diseño del stackup en Altium Designer

Técnicas estándar de gestión térmica para PCB

Definir un stackup es tan solo uno de los aspectos más importantes para diseñar tu placa de circuito impreso. Una vez definido el stackup en tu software de diseño de PCB, puedes empezar a usar las herramientas de diseño de PCB para colocar cosas como los planos de tierra, el vertido de cobre, los disipadores de calor, los ventiladores de enfriamiento y las vías térmicas. Las herramientas CAD del software de diseño de PCB se utilizan para definir estas características en tu placa de circuito impreso. Tus bibliotecas de PCB también deben conectarse a la cadena de suministro de componentes electrónicos para darle acceso a los modelos CAD de los ventiladores y disipadores de calor. Esto facilita encontrar, descargar y colocar los componentes que te hacen falta para la gestión del calor en el diseño de tu placa de circuito impreso.

Aparte de algunos temas como la colocación de las vías térmicas, los ventiladores y los disipadores de calor, la disposición de planos y pistas que elijas en cada capa de la PCB disipará el calor debido a la resistencia de CC inherente a los conductores de cobre de la placa. Por eso, al determinar cómo se debe usar el cobre en el stackup de la PCB, las simulaciones de CC se vuelven importantes para examinar si pueden surgir puntos calientes en ciertas posiciones de la PDN.

A continuación, te mostramos técnicas que puedes utilizar para la gestión térmica de tu PCB.

Utiliza simulaciones de la integridad de potencia de CC para identificar puntos calientes

Durante el análisis térmico de tu PCB, un simulador de integridad de potencia de CC puede resultar útil para detectar áreas de tu PDN con alta densidad de corriente, lo que luego producirá temperaturas más altas. Si estas regiones calientes de la PCB están cerca de un componente caliente, es posible que hagan falta algunos disipadores de calor o cobre adicionales para mantener la temperatura baja. Además, posiblemente sea necesario rediseñar el cobre en la región identificada del PDN para reducir la resistencia de CC en esa región.

• Como parte de una estrategia de enfriamiento pasiva para componentes activos, se debe utilizar una almohadilla térmica o una pasta térmica para unir un disipador de calor a los componentes calientes, ya que esto ayudará a transportar el calor de manera eficiente.

  Obtén más información sobre las almohadillas térmicas y la pasta térmica.

• Cada componente activo de tu PCB actúa como una fuente de calor disipando algo de calor en el encapsulado y en el cobre cercano que hay en la PDN. Si tienes un gran número de componentes activos, es posible que tengas que usar ventiladores para enfriar los componentes.

  Obtén más información sobre cómo trabajar con componentes de enfriamiento activos en el diseño de tu PCB.

• La extensión del analizador de PDN que ofrece Altium Designer es de fácil acceso y uso. Esta extensión cogerá los datos de tu diseño de PCB y creará simulaciones de alta calidad para la integridad de la potencia de CC.

  Obtén más información sobre la extensión "PDN Analyzer" de Altium Designer para las simulaciones de CC. (en inglés)

Las simulaciones de integridad de la potencia de CC pueden ayudarte a identificar puntos calientes en una PDN, ya sea en una sola capa o en varias capas a la vez.

El mejor software para análisis térmico de placas de circuito y diseño de PCB

El análisis térmico de la PCB es crucial para el éxito del diseño. Gestionar correctamente el calor en el diseño de la placa de circuito impreso es una tarea difícil si no se cuenta con el conjunto adecuado de herramientas de diseño de PCB. Las mejores aplicaciones de diseño de PCB deberán incluir algo más que un conjunto de herramientas CAD para realizar tareas de diseño. Más bien, necesitarás la mejor función de diseño de stackup, un editor de esquemáticos completo, funciones de simulación de señal mixta y mucho más. Por otro lado, cuando lo tengas todo listo para enviar tu placa a fabricación, tendrás que crear la documentación de tu diseño en formatos de archivo estándar. Y tu software de diseño de PCB debe proporcionar todas estas funciones en una sola aplicación, en lugar de separar todo en diferentes programas.

Altium Designer es la única aplicación integral de diseño de PCB para cualquier aplicación, desde placas de CC de alta potencia hasta productos digitales de alta velocidad y sistemas de RF de alta frecuencia. Altium Designer incluye un gestor de apilado de capas (Layer Stackup Manager) de alto nivel que te permite importar materiales estándar, definir cualquier disposición de capas que puedas concebir e importar materiales únicos. También tendrás acceso a un conjunto completo de funciones de enrutamiento y diseño con herramientas de diseño de vías y polígonos. En pocas palabras: Altium Designer incluye todo lo que necesitas para diseñar placas de circuitos fiables.

Diseña las placas de circuito impreso más fiables en Altium Designer

El poder de Altium Designer radica en su entorno de diseño basado en reglas. Otras plataformas de diseño de PCB separan las herramientas de diseño importantes en diferentes programas, pero Altium Designer te permite gozar de esa productividad con una sola aplicación. Las funciones de diseño de PCB de Altium Designer están pensadas para funcionar juntas en un solo paquete y te ayudarán a detectar errores al crear tu diseño. Ninguna otra aplicación de diseño de PCB te da acceso a tantas funciones para el análisis térmico, el diseño y la fabricación de placas de circuito.

• Altium Designer es el paquete ideal para equipos profesionales de diseño de PCB que quieran disfrutar de un conjunto completo de herramientas de diseño en una sola aplicación.

  Obtén más información sobre el entorno de diseño unificado de Altium Designer.

• La extensión del PDNA para Altium Designer puede usarse dentro de la distribución de la PCB y puede ayudarte a detectar regiones de tu diseño que se calentarán demasiado durante el funcionamiento.

  Obtén más información sobre la extensión del PDNA para Altium Designer.

• Cuando necesites mostrar tus diseños de placa de circuito impreso a otros diseñadores de PCB o a tu fabricante, podrás compartir instantáneamente tus datos de diseño y producción a través de la plataforma Altium 365.

  Obtén más información sobre cómo compartir los datos de tu proyecto de PCB con Altium 365.

Vista 3D de un sistema multiplaca con un ventilador de enfriamiento grande

Una vez que hayas realizado el análisis térmico de tu placa de circuito impreso e identificado los posibles problemas en tu diseño de PCB, utiliza Altium Designer para implementar las mejores prácticas para conseguir que la temperatura de tu placa no se salga de los límites. Ninguna otra aplicación de diseño proporciona un conjunto completo de funciones de verificación de diseño, uso compartido y diseño en una sola aplicación. Con Altium Designer el éxito de la gestión térmica de tu PCB es una realidad. 

Altium Designer en Altium 365^® ofrece un nivel de integración sin precedentes en el sector de la electrónica que hasta ahora había quedado relegado al mundo del desarrollo de software, lo que permite a los diseñadores trabajar desde casa y alcanzar niveles de eficiencia sin precedentes.

Esto es solo una muestra de todo lo que es posible hacer con Altium Designer en Altium 365. Puedes consultar la página del producto para obtener una descripción más detallada de las funcionalidades o uno de los seminarios web bajo demanda.