Cómo diseñar un prototipo de PCB térmico

Los problemas térmicos en las PCBs a menudo se pasan por alto y puede que no se aborden hasta que un diseño haya pasado por una ronda de prototipos. Obviamente, prototipar es costoso y los equipos de diseño no pueden gastar dólares infinitos en iteraciones de prototipos, pero pueden trasladar parte del trabajo de pruebas a iteraciones de prototipos de menor costo. Una forma de abordar esto desde la perspectiva térmica es realizar un prototipo térmico.

Estos prototipos no están destinados a ser elaborados o costosos; son tableros económicos que cuentan solo con unos pocos componentes, y están específicamente diseñados para evaluar las demandas térmicas en ciertos circuitos. También sirven para múltiples propósitos en algunos casos, que pueden estar relacionados con pruebas ambientales, pruebas mecánicas y pruebas funcionales básicas.

Lo que necesitas en tu prototipo térmico

Un prototipo térmico puede construirse como una pequeña placa de circuito que contiene un número limitado de componentes. Específicamente, debe contener solo los componentes principales que quieres probar para rendimiento térmico y fiabilidad. El objetivo es colocar solo los circuitos con perfiles térmicos desconocidos para que estos puedan medirse directamente.

Cuando la carga térmica en un sistema es desconocida, siempre hay algunas preguntas sin respuesta respecto a la construcción de la placa. ¿Qué peso de cobre se debe utilizar? ¿Se necesitan planos en capas específicas? ¿Es necesario un material avanzado de alta conductividad térmica, o funcionarán los materiales genéricos de grado FR4 según las especificaciones? Los prototipos térmicos te permiten investigar estos puntos y mucho más.

• Duplicados de circuitos de prueba térmica con componentes variantes
• Muchos puntos de prueba en pines no utilizados, componentes de potencia importantes, etc.
• Conectores o cabezales para acceder a cualquier señal de configuración e interfaces requeridas
• Cualquier componente de apoyo que también pueda generar excesivo calor
• Para componentes pasivos o inductivos, selecciona partes con empaquetado común para facilitar el intercambio durante las pruebas

El diseño de PCB para tu circuito de prueba debe coincidir estrechamente con la construcción de la placa prevista pero con el menor riesgo posible. La mayoría de las placas de prueba térmica para ASICs se pueden realizar durante la fase de ingeniería de front-end, así que, por simplicidad, considera construir el circuito de aplicación a partir de la hoja de datos en lugar de tu solución personalizada. Para ASICs de gestión de potencia, asegúrate de colocar tus inductores, transformadores, bobinas, etc. previstos, ya que estos también pueden ser grandes generadores de calor.

Una vez diseñado, el prototipo térmico puede ser puesto en producción en una instalación de fabricación y ensamblaje de bajo costo en el extranjero. Por lo general, no estás diseñando algo con propiedad intelectual sensible, y el número de colocaciones de componentes durante el ensamblaje debería ser bajo. A través de una simplificación importante del diseño del PCB y la BOM, puedes conseguir que el costo de construcción sea lo más bajo posible.

Mediciones en Prototipado Térmico

Una vez diseñado y producido, tu prototipo térmico necesita ser probado y la temperatura necesita ser medida. ¿Cuál es la mejor manera de hacer esto?

El método que dará las lecturas más precisas en y alrededor del circuito bajo prueba es la medición de temperatura con una cámara infrarroja. Hay una enorme gama de cámaras infrarrojas disponibles con varios niveles de resolución y rango de detección. Hay módulos pequeños que pueden conectarse a tu smartphone y hay imagers de mano más grandes que pueden dar mapas de temperatura en tiempo real de alta resolución (como las imágenes mostradas a continuación).

Imágenes térmicas suministradas por Mark Harris en este artículo.

Para tableros prototipo térmicos más elaborados, como ASICs con interfaces digitales, puede ser necesario realizar alguna configuración en vivo. Aquí es donde necesitarás incluir conexiones a un registrador de datos o DAQ, o una conexión serial a una interfaz en el PCB. Esto te permitirá controlar la interfaz serial y monitorear los estados de E/S mientras pruebas el dispositivo.

¿Qué pasa con las tarjetas de desarrollo y las tarjetas de evaluación?

¡La prototipación térmica es donde las tarjetas de desarrollo y las tarjetas de evaluación tienen la oportunidad de brillar!

Las tarjetas de desarrollo (dev) se utilizan más a menudo como prototipos de desarrollo para microcontroladores o FPGAs, donde el usuario puede construir firmware y aplicaciones alrededor de un componente específico. Las tarjetas de evaluación (eval) son modulares y se pueden conectar en un ensamblaje ad hoc con cables, para que puedas probar cómo diferentes conjuntos de componentes pueden trabajar juntos en un sistema.

Ya sea una tarjeta de desarrollo o una tarjeta de evaluación, el producto también se puede utilizar como un prototipo térmico. Estas tarjetas se pueden probar a alta potencia, o en ambientes de alta temperatura, mientras se interfazan con otros equipos o ejecutan una aplicación. Por ejemplo, podrías:

• Ejecuta la placa en una cámara ambiental
• Ejecuta la placa cerca de sus límites de potencia o temperatura
• Coloca la placa en una carcasa con un ventilador de CC en funcionamiento
• Experimenta con disipadores de calor y materiales de interfaz térmica

Las placas de evaluación y las placas de desarrollo no siempre reflejan perfectamente el circuito que tienes en mente, pero a veces se acercan lo suficiente como para obtener datos razonables sobre el perfil térmico del componente bajo prueba. Por ejemplo, en la placa de evaluación de control de puerta mostrada a continuación, podrías obtener excelentes datos térmicos para un sistema de potencia basado en SiC.

La Texas Instruments UCC21710QDWEVM-025 placa de evaluación para conducir transistores SiC y módulos de potencia.

No todos los componentes están disponibles con placas de desarrollo o placas de evaluación, pero cuando estas placas están disponibles, se pueden comprar en muchos distribuidores. Consulta Octopart y busca “eval board” para ver qué está disponible. También puedes mirar en los sitios de los fabricantes de componentes para encontrar sus materiales de diseño de referencia y opciones de placas de evaluación.

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