Projeto Térmico e Testes: Soluções para Aquecimento Anormal de PCBA

O aquecimento anormal no PCBA (Assembleia de Placas de Circuito Impresso) é um problema crítico que pode afetar gravemente odesempenho, confiabilidade e duraçãoA utilização de produtos eletrónicosprojeto térmico e testes rigorosossão essenciais para abordar e mitigar estes problemas relacionados com o calor.

Compreensão do aquecimento anormal do PCBA

O calor excessivo em um PCBA é geralmente causado por vários fatores:

• Consumo de energia elevado:Os componentes (como CPUs, GPUs, power ICs, LEDs) geram calor proporcional à potência que dissipam.
• Disposição ineficiente dos componentes:Uma colocação inadequada pode levar a pontos quentes localizados ou dificultar o fluxo de ar.
• Via de dissipação de calor inadequada:Insuficiência de cobre em vestígios de PCB, falta de vias térmicas ou interfaces térmicas deficientes com dissipadores de calor.
• Mecanismos de arrefecimento insuficientes:Ausência de dissipadores de calor, ventiladores ou ventilação adequada do recinto.
• Fatores ambientais:Temperaturas ambientais elevadas podem exacerbar os problemas de aquecimento.

Projeto térmico: Prevenção do calor antes de ele começar

O projeto térmico eficaz é sobre a construção do gerenciamento de calor no PCBA a partir do zero.

1. Seleção de componentes:

   • A prioridadecomponentes eficientes em termos energéticoscom menores correntes de quiescência e maiores eficiências.
   • Escolha componentes comresistência térmica adequadapara a sua dissipação de energia esperada.

2. Optimização do layout de PCB:

   • Colocação estratégica dos componentes:Colocar componentes de alta potência (por exemplo, ICs de potência, processadores, reguladores de tensão) longe de componentes sensíveis ao calor (por exemplo, sensores, circuitos analógicos de precisão, condensadores eletrolíticos).
   • Via térmica:Incorporate a grid of thermal vias (small holes filled with copper) under power components to conduct heat efficiently from the component pad through to internal copper layers or to the other side of the board for heat sinking.
   • Copper Pour/Planes:Utilizar grandes depósitos de cobre ou planos de terra/potência dedicados comocamadas de difusão de calorQuanto mais cobre, melhor a condução de calor.
   • Dimensão do rastreamento:Assegurar que as vias de alimentação sejam suficientemente largas para transportar a corrente necessária sem aquecimento resistivo excessivo (Eu...2Rperdas).

3. Dispensadores de calor e ventiladores:

   • Dispensadores de calor:Aponte os dissipadores de calor diretamente aos componentes de alta potência, que aumentam a superfície disponível para a convecção de calor para o ar circundante.O material de interface térmica (TIM) adequado entre o componente e o dissipador de calor é crucial.
   • Fãs:Para maior dissipação de energia, o resfriamento ativo com ventiladores pode aumentar significativamente o fluxo de ar sobre os dissipadores de calor e o PCBA, ajudando a remoção de calor.e consumo de energia.

4. Desenho do compartimento:

   • Ventilação:Projetar o recinto com aberturas de ventilação suficientes e aberturas estrategicamente colocadas para permitir a convecção natural (efeito chaminé) ou o fluxo de ar forçado dos ventiladores.
   • Seleção de material:Os gabinetes metálicos podem atuar como dissipadores de calor adicionais, dissipando o calor através de suas superfícies.

5. Simulação térmica:

   • UtilizarFerramentas de engenharia assistida por computador (CAE)eSoftware de simulação térmica(por exemplo, ANSYS, Mentor Graphics FloTHERM, COMSOL) no início da fase de concepção.
   • Objetivo:Para prever a distribuição da temperatura, identificar potenciais pontos quentes e avaliar a eficácia de diferentes soluções de arrefecimento antes da prototipagem física, economizando tempo e custos.

Teste térmico: validação do projeto

Uma vez que o PCBA é um protótipo, são essenciais testes térmicos rigorosos para validar o projeto e confirmar que ele opera dentro dos limites de temperatura segura em várias condições.

1. Câmara térmica/Termografia infravermelha:

   • Objetivo:Identificar visualmente e mapear a distribuição de temperatura na superfície do PCBA.
   • Método:Uma câmera infravermelha capta imagens térmicas, revelando pontos quentes e gradientes de temperatura em tempo real, o que é excelente para identificar rapidamente componentes ou áreas sobreaquecidas.

2. Medição do sensor de termocouple/temperatura:

   • Objetivo:Obter leituras precisas de temperatura em pontos específicos dos componentes ou do PCB.
   • Método:Os pequenos termopares ou sensores RTD (Resistance Temperature Detector) são ligados a pontos-chave de interesse.especialmente durante o funcionamento funcional e os ensaios de esforço.

3. As câmaras ambientais:

   • Objetivo:Para testar o desempenho térmico do PCBA sob uma série de condições ambientais controladas.
   • Método:O PCBA é colocado numcâmara de temperatura(ou umcâmara de choque térmicoPara simular ambientes de funcionamento de frio extremo a calor extremo, verifica-se o desempenho e identificam-se falhas devido a tensão térmica.

4. Teste de envelhecimento (teste de combustão) com controlo de temperatura:

   • Objetivo:Operar o PCBA sob tensão contínua (incluindo temperatura elevada) durante um período prolongado para identificar "falhas de vida precoce" e garantir a confiabilidade a longo prazo.
   • Método:Os PCBA são geralmente executados em umForno a combustãoA utilização de um sistema de controlo de temperatura de uma câmara, muitas vezes a temperaturas de funcionamento superiores às normais, acompanhando simultaneamente a sua funcionalidade e as temperaturas dos componentes-chave.

5. Medição do fluxo de ar e da pressão:

   • Objetivo:No caso de projetos que envolvam arrefecimento ativo (ventiladores), assegurar um fluxo de ar e uma queda de pressão adequados no interior do compartimento.
   • Método:Os anemómetros (para a velocidade do fluxo de ar) e os manômetros de pressão são utilizados para caracterizar o desempenho de arrefecimento.

Os fabricantes podem efetivamente abordar o aquecimento anormal do PCBA, levando a um design térmico mais robusto, confiável,e produtos eletrónicos de alto desempenho.