Cómo un diseño de PCB adecuado puede ayudarle a evitar agregar disipadores a su diseño

Tener que reclamar por productos, como monitores de computadoras que fallan, es una carga económica que se puede evitar.

Hace varios años, me compré un monitor de computadora capaz de mostrar las resoluciones y las profundidades de colores más altas que la tecnología en computadoras tenía para ofrecer.  Me costaba contener la emoción cuando lo enchufé y comencé a experimentar las diversas aplicaciones para probar sus capacidades. Todo estaba funcionando de maravilla así que salí de mi oficina para presumir mi nueva pantalla. Al regresar, me sorprendió ver que la pantalla no dejaba de titilar. La volví a encender para ver si se restablecía, pero no lo hizo. Al parecer, el nuevo monitor estaba dañado.

Unos días más tarde abrí la carcasa y husmeé para ver si podía encontrar el problema. Resultó que uno de los circuitos de video estaba montado directamente sobre el suministro de energía. Por ende, recalentó el circuito de video hasta que no pudo funcionar, según las especificaciones, lo que dio lugar a una pantalla distorsionada. El arreglo era simple, instalar un blindaje térmico que dirigiera la energía térmica fuera del circuito de video. Dicho esto, el problema real se encontraba en el diseño del producto. El circuito de video no debería haber estado tan cerca de una fuente de calor.

El calor es el peor enemigo de una PCB

Todos sabemos que el exceso de calor puede destruir componentes o conducirlos fuera de las especificaciones, pero a veces no está claro cuándo el calor será un problema. A veces, el control del calor puede ser difícil de resolver y puede ser solo un inconveniente en situaciones poco comunes. Por ejemplo, cuando se producen altas temperaturas. Más aun, los problemas de mitigación del calor pueden aparecer con el tiempo, como la unión soldada que se fractura debido a la expansión y contracción térmica, luego de numerosos ciclos de calor. Estos problemas pueden pasar desapercibidos en las pruebas, por lo que es importante disponer su tarjeta de manera adecuada para evitar estas situaciones.

Tenga en cuenta la ubicación de fuentes de calor externas antes de colocar los componentes en su PCB.

¿Qué tiene que hacer el diseñador de PCB?

En el diseño de PCB es común mitigar el calor con disipadores STM , ventiladores, vías térmicas, y otras técnicas. Estas pueden ser muy efectivas, pero añaden costo y complejidad al diseño. La solución más económica y más confiable es diseñar una PCB de manera tal que la transferencia de calor no deseada, desde fuentes externas, no sea un problema. Diseñe alrededor del problema, ¡no le arroje más componentes a este!

Cuando planifique su diseño, recuerde que su PCB forma parte de un sistema más grande. Tiene que considerar la colocación de componentes que producen calor en relación con los otros en la PCB, y con las otras partes del producto como un todo. Como la ubicación de las PCBs varía, dependiendo del dispositivo para el que se diseña, las fuentes de calor externas pueden ubicarse en tres dimensiones alrededor de su tarjeta. Con esto en mente debe considerar lo siguiente:

• Aislar fuentes de calor: mantener los subsistemas que generan calor, como el suministro de energía, aislados en su diseño para que no tengan repercusión en otros componentes.

• Otras PCBs: es muy probable que las PCBs cercanas tengan componentes productores de calor o sensibles al calor en ellas.

• Partes físicas: partes mecánicas, los cables y las estructuras de montaje también pueden absorber y transferir calor desde su PCB a otras partes del producto. Esto incluye partes con las que el usuario podría estar en contacto.

• La carcasa: como diseñadores, estamos constantemente bajo presión para hacer nuestros productos más pequeños y compactos. Esto quiere decir que las carcasas alrededor de las PCBs se vuelven más apretadas. Tenemos que considerar detenidamente en cómo afectará la trasferencia de calor de nuestra PCB. Los espacios más apretados ofrecen menos oportunidades para refrigeración por convección y una mayor posibilidad de transferencia de calor conductiva hacia áreas de sensibilidad.

Considere qué tan apretada será la carcasa de su PCB, ya que esto podrá afectar el diseño de su placa.

Piense en un espacio 3D cuando diseñe su PCB

No está diseñando su PCB en el vacío. Desde el inicio usted debe considerar su diseño en tres dimensiones. Considere cómo los componentes interactuarán entre sí y cómo afectan el espacio en la PCB.

Para ello, le recomiendo revisar las especificaciones de diseño del producto para ver cómo está posicionado su PCB en el producto, y qué elementos se encuentran cerca suyo. Tome nota de todo lo que pueda ser sensible al calor antes de comenzar su diseño. Esta información modificará las primeras líneas generales que realice en su diseño y puede ayudarle a evitar rehacer las cosas posteriormente, lo que siempre resulta más difícil. Luego debe considerar cómo está posicionado su PCB dentro de la carcasa. Si es muy ajustado o existen áreas muy apretadas, evite colocar componentes productores de calor donde no podrán liberar su calor.

Si su monitor de computadora sigue funcionando (no como el mío), debe considerar el uso de herramientas de diseño incluidas en su software de diseño de PCB profesional para que lo asista. Muchos de estos, como Altium Designer, le permiten definir las distancias alrededor de sus componentes y verificar que estas se cumplan en el diseño. Al definir las distancias para sus componentes productores y sensibles al calor, le permite al software mantenerlo a salvo. Por último, puede ejecutar su diseño a través de un simulador térmico para destacar cualquier punto de posibles fallas térmicas y adaptar el diseño para mitigarlos.

Mantenga sus PCBs refrigeradas y con cuidado

El calor es un desafío constante en el diseño de PCB y presentará un desafío aún mayor a medida que los productos se vuelven más  compactos. Prever y planear cuidadosamente puede ayudarle a evitar problemas relacionados con el calor que son difíciles de reproducir, solucionar y arreglar. A nadie le gusta ver que la pantalla de su computadora sufre una crisis. Aún peor, ninguna empresa quiere reclamar un producto. Evite esto al contactar a expertos en Altium para mayor información sobre las buenas prácticas de diseño y las herramientas de PCB disponibles para el control del calor.