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Introduzione
Questo articolo di PCBTok illustrerà alcuni motivi fondamentali per cui è importante monitorare la temperatura dei PCB e come una misurazione accurata sia cruciale per migliorare le prestazioni e la durata dei circuiti stampati. L'affidabilità richiede una comprensione approfondita della temperatura; anche piccole fluttuazioni termiche possono avere un impatto significativo. Iniziamo con i punti chiave.
Temperatura PCB
Questo è il livello di temperatura del circuito stampato in gradi Celsius. È fondamentale conoscerlo per assicurarsi che il PCB funzioni correttamente. Le alte temperature possono influire sulle sue prestazioni e sulla sua durata. I diversi materiali per PCB hanno limiti di temperatura differenti. I circuiti stampati in FR-4 , ad esempio, possono sopportare temperature fino a 110 °C. Esistono PCB in grado di resistere anche a temperature superiori a quelle menzionate. Alcuni sono addirittura progettati per sopportare temperature superiori a 150 °C. Tuttavia, è sempre il materiale utilizzato a determinare il limite di temperatura del PCB.
Come misurare la temperatura del PCB
Per individuare le zone calde e i circuiti integrati ad alto consumo energetico su un chip, è necessario monitorare la temperatura. Questo permette di individuare tempestivamente eventuali problemi. Tuttavia, prima di procedere, è fondamentale verificare la dilatazione termica massima sopportabile dal PCB. Per i PCB multistrato, è importante assicurarsi che i coefficienti di dilatazione termica ( CTE) siano uniformi. Il CTE è un parametro che misura la dilatazione termica dei materiali. L'allineamento degli strati evita problemi di dilatazione e garantisce una maggiore durata.
Cerca la fonte di calore
Determina qual è la principale fonte di calore sul tuo PCB. In genere, si tratta del microcontrollore o del microprocessore . Questo ti aiuta a sapere esattamente quando la temperatura ha superato un certo livello. Questi componenti del PCB generano la maggior parte del calore. Per evitare che si surriscaldino e si danneggino, è necessario monitorarli. Per prima cosa, identifica la parte più calda del tuo PCB.
Assicurarsi che il sensore di temperatura del PCB sia in posizione
Assicurati che il sensore di temperatura del PCB sia installato correttamente. I componenti possono danneggiarsi a causa del calore, per questo è fondamentale monitorarlo. Il calore può essere rilevato tramite sensori di superficie o montati sulla scheda. I dati in tempo reale provenienti da questi sensori ti aiutano a prevenire il surriscaldamento.
Individuare i pin di terra (GND)
Circa il 60%-65% del calore viene trasportato da questi pin al sensore. Si ottiene la resistenza termica più bassa dei pin GND , consentendo una lettura corretta del sensore. Una buona connessione contribuisce a un monitoraggio efficace del calore.
Creare l'equilibrio termico
Un piano di massa permette al sensore e alla sorgente di calore di raggiungere l'equilibrio termico. Assicura una distribuzione uniforme del calore. L' equilibrio termico garantisce la precisione delle letture di temperatura . Poiché la legge zero della termodinamica afferma che il sistema in equilibrio termico ha la stessa temperatura, il monitoraggio risulta affidabile.
Collegare i pin GND
I pin devono essere collegati. Ciò facilita anche il trasferimento di calore. Per letture migliori del sensore. La resistenza termica si riduce quando i pin GND sono collegati saldamente al piano di massa.
Mantenere la vicinanza
Per quanto possibile, tieni i sensori vicini alla fonte di calore. Per una lettura accurata, tienili il più vicino possibile. Questo garantisce che il sensore catturi quel calore direttamente dalla fonte. Più sono vicini, più puoi monitorare i cambiamenti di temperatura in tempo reale.
Quale temperatura è buona per un PCB?
Circuiti stampati standard
FR4 è il materiale più utilizzato per la maggior parte dei PCB. Questo materiale è un laminato epossidico di vetro. Può resistere a temperature di 90-110 gradi Celsius. Per le prestazioni è importante rimanere in questo intervallo. Ciò può causare danni. Se i limiti vengono superati.
Circuiti stampati ad alta temperatura
Possono resistere a una temperatura di transizione vetrosa fino a 170 gradi Celsius. Vengono utilizzati materiali speciali come ISOLA IS410 e ISOLA IS420. ARLON 85N e VT-901 sono altre opzioni. Questi materiali garantiscono la durabilità in funzione del calore.
Qual è l'aumento di temperatura accettabile per una traccia PCB?
Diversi fattori entrano in gioco. Resistenza, corrente e aumento di temperatura consentito completano l'elenco di questi parametri. Solitamente si misura un aumento fino a 10 gradi o un incremento di temperatura di 10 gradi rispetto alla temperatura ambiente di 25 gradi. È anche possibile, se il materiale del circuito stampato lo consente, un aumento di 20 °C. La gestione termica e l'efficienza energetica sono il risultato di questo standard. Si riferisce a quanto si riscalda la traccia del PCB . È possibile scegliere di quanto si desidera che la temperatura del circuito stampato aumenti. Per la maggior parte delle applicazioni, 10 gradi rappresentano un limite di sicurezza.
Cause delle alte temperature dei PCB
1. Circuiti ad alta frequenza
Nei circuiti ad alta frequenza si generano spesso temperature elevate. Questi circuiti producono più potenza e più calore. Ad esempio, i circuiti a radiofrequenza . L'ingegneria dei PCB è in continua crescita, così come la loro diffusione. Sono complessi per molteplici ragioni. Vengono utilizzati in dispositivi medici , prodotti industriali e smartphone. A causa del calore che producono, sono necessarie tecniche di progettazione specifiche.
2. Distanza tra i componenti in SMD
La temperatura del PCB è influenzata dalla distanza tra i componenti SMD . La funzionalità dei dispositivi a montaggio superficiale è la stessa dei componenti a foro passante e si collegano al PCB attraverso i fori. In altre parole, livellano la corrente. Tuttavia, sia i componenti SMD che quelli a foro passante richiedono una spaziatura adeguata. Se la distanza è eccessiva, la corrente impiega più tempo a raggiungere il circuito. Alcuni componenti si raffreddano eccessivamente per un periodo prolungato a causa di questo ritardo. Di conseguenza, altri componenti possono surriscaldarsi per compensare. La spaziatura è fondamentale.
3. Saldatura impropria dei componenti del dissipatore di calore
La tecnica di montaggio a foro passante viene utilizzata per i componenti del dissipatore di calore . Questi componenti alimentano il PCB e, quando producono calore, devono dissiparlo nell'aria. Se la saldatura non è eseguita correttamente, la dissipazione del calore può essere compromessa, causando surriscaldamento. Anche altri componenti possono interferire con le prestazioni del dissipatore di calore.
4. Malfunzionamento dei componenti
Scegli ogni componente per le massime prestazioni. Alcuni componenti non funzioneranno se si guastano. Ciò inciderà su altri componenti. Quello stress aggiunto può causare surriscaldamento.
5. Interferenza attraverso il foro
L'alimentazione viene fornita attraverso i dissipatori di calore dei componenti a foro passante. Questi generano calore e lo disperdono nell'aria. I problemi sorgono se il dissipatore di calore viene saldato in modo errato. Il foro passante può anche essere ostruito da altri componenti. Il vantaggio, in questo caso, è che tali componenti generano più calore.
6. Saldatura senza piombo
Le alte temperature dei PCB possono derivare dalla saldatura senza piombo. I PCB si stanno orientando verso materiali più sicuri, in conformità con lo standard RoHS. I PCB conformi alla RoHS utilizzano saldature senza piombo per ridurre i rischi. Poiché la saldatura senza piombo richiede temperature più elevate per fondere, a volte può non fondere. Questo può causare il surriscaldamento del PCB, con conseguenze potenzialmente dannose.
Perché è importante monitorare la temperatura dei PCB?
Perdita di forza
Il calore eccessivo può danneggiare l'integrità strutturale di un circuito stampato. Le variazioni di temperatura sono sensibili agli strati del PCB . Se le temperature oscillano troppo, gli strati si espandono e si contraggono.
Interferenza con i percorsi dei circuiti
La quantità di calore che può applicare a un percorso di circuito può diventare eccessiva. Può causare l'espansione dei circuiti e quindi modificarne la forma. Tali spostamenti e distorsioni sono inerenti a questo. Potresti anche ritrovarti con una perdita di segnale. Può modificare l'impedenza standard del conduttore di 50 ohm. In particolare, i circuiti a onde millimetriche e microonde sono particolarmente vulnerabili. I piccoli componenti si danneggeranno facilmente.
Velocità di espansione di diversi materiali
Un circuito stampato ha due tipi principali di strati. Questi sono lo strato dielettrico e lo strato conduttivo. Ogni tipo è fatto di materiali diversi. Quindi, quando riscaldati, si espandono in modo non uniforme. Questa espansione non uniforme causa seri problemi. Gli strati possono iniziare a separarsi l'uno dall'altro. Tale PCB surriscaldato può fare molto di peggio. Sotto stress, gli strati possono rompersi. Queste possono essere le crepe che interrompono i percorsi del circuito. Se vedi, potresti anche vedere problemi di prestazioni.
Ruggine e danni
Può anche ossidare i materiali dielettrici esposti. È vulnerabile senza un laminato protettivo. Questo materiale arrugginisce ad alte temperature. La ruggine può essere davvero dannosa. Potrebbe anche renderti privo di linee di trasmissione. È anche possibile che il fattore di dissipazione sia più alto. Quindi sprecherai più energia nei tuoi circuiti. Questi problemi possono essere prevenuti tenendo sotto controllo le temperature.
Separazione dei livelli
È importante monitorare la temperatura del PCB per evitare la delaminazione . Gli strati del PCB possono delaminarsi. Il fenomeno può verificarsi anche tra le tracce di rame e il substrato. Può accadere tra la maschera di saldatura e il suo materiale di base. Alcuni materiali si dilatano a velocità diverse rispetto ad altri, creando stress sugli strati. Alla fine, gli strati possono iniziare a separarsi. La delaminazione si previene mantenendo le temperature stabili.
Piegatura e torsione del PCB
Il PCB può cambiare forma a causa del calore estremo. Mette sotto stress i componenti, una connessione. Quindi, quando succede una cosa del genere, le giunzioni di saldatura si incrinano. Possono rompersi o staccarsi. Alcuni pezzi possono separarsi del tutto. Ciò impedisce questi problemi tenendo sotto controllo le temperature.
Guasti dei componenti
Il calore è tollerato in modo diverso da componenti diversi. I problemi potrebbero verificarsi a causa di troppo calore o troppo freddo. Ciò che vedi potrebbe essere parti incrinate o deformate. Anche i materiali interni possono rompersi. Possono essere cortocircuiti o circuiti aperti. Questi problemi possono essere evitati se teniamo d'occhio la temperatura.
Guasti nelle giunzioni di saldatura
La connessione tra componente e PCB avviene tramite giunti di saldatura. Queste connessioni possono essere danneggiate da temperature molto elevate. Con calore elevato, la saldatura potrebbe fondersi. Può causare cortocircuiti. La saldatura è fragile a basse temperature. La saldatura può essere fragile e creparsi o rompersi.
Umidità e condensa
La condensa può essere creata da rapidi cambiamenti di temperatura. Questa umidità può causare cortocircuiti. Può anche causare problemi di corrosione. L'umidità intrappolata può congelare a basse temperature. Ciò può causare danni al PCB e ai suoi componenti. Osserva i cambiamenti di temperatura del tuo PCB.
Come controllare la temperatura del PCB
Dissipatori di calore
Un PCB genera molto calore. Questo calore proviene da molti componenti. Devi trovare un modo per liberarti di quel calore. In questo caso i dissipatori di calore sono una buona soluzione. Aiutano a rimuovere il calore in modo sicuro. Prevengono danni alla scheda. Se non ci sono dissipatori di calore, i componenti potrebbero guastarsi prima del previsto. Avrai bisogno di un qualche tipo di dissipatore di calore per raffreddare l'intero PCB.
laminati
I laminati per alte temperature aiutano a controllare la temperatura dei PCB. Proteggono le dita dalle scottature. La scelta dei laminati dipende da alcune proprietà chiave. Una maggiore protezione si ottiene con un materiale con una temperatura di transizione vetrosa più elevata. È importante verificare il tempo di delaminazione : più lungo è, meglio è. Anche l'assorbimento di umidità è un fattore rilevante in condizioni di umidità. Una maggiore sicurezza deriva da una temperatura di decomposizione più elevata. I danni saranno ulteriormente ridotti da tassi di espansione sull'asse z inferiori.
Larghezza e spessore della piastra
Lo spessore del PCB influisce sulla dissipazione del calore. Le piastre più spesse conducono meno calore, trattenendone quindi una maggiore quantità. Le piastre sottili, al contrario, consentono una migliore dissipazione del calore, mantenendo la scheda più fresca. È fondamentale selezionare la larghezza e lo spessore appropriati per il proprio progetto. Con le dimensioni corrette, è possibile evitare problemi di surriscaldamento. Il nostro team di ingegneri può assistervi nella scelta dell'opzione migliore, garantendo il corretto funzionamento del PCB. Spessore e larghezza delle piastre sono impostati in modo ottimale per una gestione efficace del calore.
Fan
Le ventole sono spesso utilizzate per raffreddare la maggior parte dei dispositivi elettronici. Le ventole aiutano a raffreddare il PCB. Invece, spingono il calore lontano dal dispositivo. Allo stesso tempo, aspirano aria fredda. Evitano il surriscaldamento del PCB. Aiutano anche il PCB a durare più a lungo con un buon flusso d'aria. Migliorano anche le prestazioni del dispositivo.
Considerando materiali e componenti
Il controllo del calore nei PCB dipende dalla scelta dei materiali giusti. I PCB in rame pesante sono resistenti al calore, robusti e durevoli. Temperature e correnti elevate non rappresentano un problema per loro, il che li rende ideali per automobili e aerei. Tuttavia, l'FR-4, utilizzato in molti PCB, è ignifugo, ma non molto resistente al calore. Se il vostro PCB è in FR-4, non esitate a progettarlo in modo da minimizzare il calore. Anche i materiali RF e il poliimmide possono surriscaldarsi. Nei circuiti RF, il PTFE è comunemente utilizzato, ma tende a sbavare se si surriscalda.
Allineamento delle CTE
Il CTE è un parametro che riflette quanto si espande un materiale quando viene riscaldato. Nella progettazione di PCB, prova a CTE negli strati dielettrici e di rame. Ciò consente agli strati di crescere in modo uniforme e si causano molti meno danni. Gli strati non si espandono alla stessa velocità se i CTE non sono allineati. Ciò può causare problemi di lavorazione e assemblaggio. La foratura può essere problematica con esso. Se non vuoi surriscaldarti, scegli materiali con CTE più piccoli. Ha un CTE elevato e non è l'ideale, invece, PTFE riempito con vetro intrecciato. Il CTE e le prestazioni termiche del PTFE riempito di ceramica sono migliori.
Mantenere la spaziatura corretta
Calcolare la giusta spaziatura dei componenti su un PCB è un'operazione complessa. Se i componenti sono troppo vicini, si verificano problemi di diafonia. Ciò significa che le diverse parti interagiscono in modi diversi e indesiderati, generando perdite resistive che a loro volta producono calore. Questo problema si presenta spesso nei PCB ad alta frequenza . Pertanto, è fondamentale tenere in considerazione la spaziatura dei componenti.
Integrazione corretta dei tubi di calore
Inserendo heat pipe in un PCB, il calore viene gestito. Ma i tubi di guida assorbono il calore e proteggono i loro componenti. I dispositivi di piccole dimensioni si adattano bene a loro. L'uso di heat pipe può risolvere altri problemi, se il tuo dispositivo ha uno spazio limitato. Trasportano ammoniaca o acqua. Assorbono il calore e si trasformano in vapore. Questo raffredda anche molto bene il PCB. Il corretto utilizzo di heat pipe protegge dai danni causati dal calore.
Indice termico relativo e temperatura massima di esercizio
L'indice termico relativo (RTI) è la capacità di un materiale di gestire il calore. Ti dirà qual è la temperatura più alta che puoi raggiungere stando fuori dal materiale senza danneggiarlo. Questa è la temperatura massima di esercizio di un PCB. Se tuttavia trascuri questi numeri, la scheda potrebbe guastarsi. Usa materiali che non si riscaldano bene.
Domande frequenti sulla temperatura del PCB
Cosa succede se la temperatura aumenta troppo?
A temperature superiori a 50°C o 100°C possono sorgere problemi. Se ciò che viene estratto funziona su una scheda FR4, dovrebbe essere in grado di funzionare con una traccia di rame su una. Tuttavia, anche i componenti vicini saranno interessati. Ciò aumenta troppo la loro temperatura. Può compromettere l'integrità della scheda. Potresti anche vedere una perdita di potenza. A volte devi controllare attentamente le temperature solo per evitare danni.
Le alte temperature possono danneggiare un PCB?
Un circuito stampato può essere danneggiato dalle alte temperature. Problemi come il cedimento delle saldature e la separazione degli strati sono causati dal calore. Anche i componenti possono danneggiarsi. La maggior parte dei PCB FR-4 standard funziona a temperature comprese tra 130 e 140 °C. I PCB ceramici possono essere utilizzati a temperature superiori a 350 °C. È fondamentale scegliere sempre i materiali più adatti all'applicazione. Le saldature sono soggette a danni da calore, che possono degradare o compromettere il funzionamento dei componenti. Se il PCB presenta saldature fredde, i collegamenti si interrompono.
I PCB HDI necessitano di un'attenzione particolare per quanto riguarda la temperatura del PCB?
Come sappiamo, i PCB ad alta potenza e ad alta densità richiedono particolare attenzione. Generano molto calore e necessitano di strategie di gestione termica più efficaci. Il semplice raffreddamento dei componenti di base potrebbe non essere sufficiente. Date le soluzioni di raffreddamento avanzate spesso necessarie per queste schede, è fondamentale un corretto assemblaggio. Se l'utilizzo di dissipatori o ventole non è ideale, si possono considerare percorsi di dissipazione paralleli. Questo garantisce una corretta gestione termica del PCB, contribuendo a migliorarne le prestazioni e la durata. È fondamentale prevedere sempre la dissipazione del calore in fase di progettazione.
Un PCB può sopportare temperature superiori al limite per un breve periodo di tempo?
Potrebbe non verificarsi un danno immediato anche con una breve esposizione. Tuttavia, non è consigliato. Il PCB viene danneggiato anche da alte temperature, anche se di breve durata. Generalmente, la rottura del materiale può derivare da un'esposizione prolungata. I guasti possono essere aumentati a causa di ripetuti cicli di calore. Può rendere i tuoi circuiti più o meno affidabili. Sono imposte limitazioni di temperatura, necessarie per operazioni sicure. Aiuta a far durare più a lungo il tuo PCB. Usandoli manterrai prestazioni e affidabilità in pista.
Conclusione
Con questo blog PCBTok, abbiamo esaminato le questioni chiave sui PCB e sulla gestione della temperatura. Poi abbiamo parlato di come le alte temperature degradano i PCB e cosa cercano quando si tratta di progetti ad alta potenza. Abbiamo anche esaminato se i PCB potessero funzionare a temperature superiori alle temperature massime consentite per un breve periodo.
