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A topic from NCAB Group about integrated PCB Production

No 1 2021

La gestión térmica en los equipos electrónicos está teniendo cada vez más importancia.

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Cada vez hay más necesidad de encontrar soluciones para gestionar el exceso de calor en los equipos electrónicos. El rápido avance tecnológico, ha hecho aumentar estas necesidades, sobre todo en los circuitos impresos. En este número, los expertos de NCAB describen los avances en este campo y los métodos disponibles para la gestión térmica.

En los equipos electrónicos modernos, y sobre todo en las aplicaciones de potencia, siempre hay que prestar atención a dos aspectos fundamentales: la eficiencia y la gestión térmica.La eficiencia determina qué cantidad de potencia se transfiere realmente sin pérdidas.
La gestión térmica busca garantizar que los dispositivos del sistema,  puedan funcionar manteniéndose a un nivel de temperatura aceptable. La gestión térmica básicamente, se refiere a los métodos utilizados para transferir el exceso de calor de un lugar a otro. Tradicionalmente esto se ha venido haciendo, fijando un disipador externo sobre el componente que generaba el exceso de calor. Pero ¿qué pasa si es la propia PCB la que genera el calor o si físicamente no es posible colocar un disipador térmico encima de un componente?

La corriente que no se transfiere correctamente, se transforma inevitablemente en energía calorífica.
Para no provocar un aumento de la temperatura en los dispositivos, hay que deshacerse de esa energía calorífica. Si esto no se hace adecuadamente, los componentes podrían resultar dañados o, en cualquier caso, ver reducida su vida útil.

En el caso de los equipos electrónicos y el circuito impreso,  nuestro objetivo es alejar del componente ese exceso de calor, disipándolo dentro o fuera de la PCB. A veces lo hacemos en combinación con soluciones activas, como ventilación mediante disipador térmico externo o líquido refrigerante.

«Hay que ser creativos y encontrar nuevos métodos para disipar o redirigir el exceso de calor».

Jeffrey Beauchamp
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA

La innovación aumenta una mayor necesidad en la gestión térmica

En los últimos años hemos visto un aumento constante en la demanda de soluciones de la gestión térmica en los equipos electrónicos. Jeffrey Beauchamp, Technical Manager de NCAB Group USA, y Mario Cianfriglia, Field Application Engineer de NCAB Group Italy, explican cómo las innovaciones técnicas en el sector, han hecho aumentar esta necesidad.

«Una de las tendencias más importantes en fabricación electrónica ahora mismo, es la miniaturización que lleva a que los productos y componentes sean cada vez más pequeños y los circuitos impresos más densos. Esto hace que cada vez sea más difícil aplicar las soluciones tradicionales, como los disipadores térmicos, ya que estos ocupan demasiado espacio. Por eso hay que ser creativos y encontrar nuevos métodos para disipar o redirigir el exceso de calor», explica Jeffrey Beauchamp.

Otro factor nuevo al que se enfrentan los diseñadores, es el de gestionar las temperaturas más elevadas que generan los nuevos componentes, que realizan más funciones y tienen una mayor velocidad de cálculo, ya que cuanto mayor es la velocidad de cálculo, más se calientan los componentes.

«Básicamente, los circuitos impresos, se ven obligados a miniaturizarse para utilizar componentes electrónicos cada vez más pequeños en los que las interconexiones han evolucionado en términos de cantidad x centímetro cuadrado (cm2). Todo esto es para alojar a la última generación de componentes BGA que gestionan señales digitales y de potencia,  con un pitch o distancia entre los centros de las bolas,  de 0,4 mm. o menos», dice Mario Cianfriglia.

«Básicamente, los circuitos impresos, se ven obligados a miniaturizarse para utilizar componentes electrónicos cada vez más pequeños».

Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy

El reto sobre la gestión térmica en diferentes aplicaciones

Mario Cianfriglia también subraya que los diseñadores están teniendo que hacer frente a nuevos retos, ya que cada vez son más las aplicaciones que integran electrónica.

«En algunos casos, la gestión térmica puede ser muy complicada, por ejemplo, en el sector de la energía, en aplicaciones industriales o en el sector de la automoción, sobre todo en los coches eléctricos. Lo mismo se puede decir de aplicaciones más complejas, como sistemas de radar o de telecomunicaciones», dice. A medida que avanza el despliegue del 5G, la quinta generación de comunicaciones móviles, los productos electrónicos incorporarán cada vez más componentes que funcionan a mayor velocidad y generan más exceso de calor. Al mismo tiempo será fundamental garantizar la integridad de la señal en las aplicaciones 5G.

«Actualmente un PCB puede manejar señales de 3 a 5 GHz, pero con el 5G a pleno rendimiento tendrán que gestionar señales de alrededor de 25 GHz y más».

Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy

«Esta es la última frontera de la tecnología, donde la integridad de la señal es esencial. Actualmente los circuitos impresos pueden manejar señales de 3 a 5 GHz, pero con el 5G a pleno rendimiento, tendrían que gestionar señales de alrededor de 25 GHz o más. Para garantizar la integridad de la señal bajo cualquier circunstancia operativa, es muy importante contar con una gestión térmica correcta. Las placas de circuito impreso con señales de alta frecuencia tienen que diseñarse adecuadamente en lo que respecta al stackup, materiales especiales, recorrido de las pistas y capas de masa, suministro de energía y señal», dice Mario Cianfriglia.

«Estamos empezando a ver un aumento en la demanda de gestión térmica, y yo creo que es probable que siga creciendo. Esperemos que con ella lleguen nuevas técnicas más avanzadas para gestionar los problemas de calentamiento», dice Jeffrey Beauchamp.

En algunos casos, la gestión del calor puede ser extremadamente exigente. Como, por ejemplo, en el sector energético, en aplicaciones industriales o en la industria del automóvil, especialmente cuando se trata de vehículos eléctricos, dice Mario Cianfriglia

Los programas de análisis evitan problemas

En el desarrollo de productos se utilizan diversas técnicas para identificar posibles problemas relacionados con el calentamiento. Se han desarrollado paquetes de software especiales para realizar análisis preventivos. Es importante que en el diseño de los circuitos impresos todo esté correctamente dimensionado desde las fases iniciales. Para ello hay que conocer los requisitos de los componentes, tamaño de pistas y separación en función de a qué vayan a dar servicio —en términos de velocidades de señal y potencia— y seleccionar el grosor adecuado para el cobre y el material base.

La inspección visual para detectar daños visibles tiene sentido en PCB sencillas dedicadas únicamente a la potencia. Con el tiempo, el calor provoca el deterioro del laminado base y la carbonización de las resinas, por lo que en una primera fase se podrá observar que la zona donde se genera energía calorífica se vuelve marrón.

Es posible simular el funcionamiento del producto PCBA y comprobar con cámaras de infrarrojos dónde la temperatura supera los niveles permitidos. Pero en este punto ya estaremos en una zona de no retorno en la que el proyecto ya está definido. Esta condición solo es apta para detectar una anomalía. Nuestra sugerencia es implicarse siempre desde las primeras fases del proyecto, cuando el proveedor de PCB puede ofrecer sugerencias que permitan al diseñador hacer un trabajo excelente», dice Mario Cianfriglia.

Factores que aumentan la necesidad de gestión térmica

  • Miniaturización, con más componentes y más pequeños, en circuitos con mayor densidad.
  • Cada vez son más las aplicaciones que integran electrónica.
  • Los componentes son más rápidos y, por tanto, generan más calor.
  • La nueva tecnología tiene como resultado, una frecuencia de las señales más elevada y una gestión de la potencia que genera más calor.
  • La integridad de la señal se hace más importante con el 5G, lo que aumenta la sensibilidad a la gestión térmica.

Recurrir a especialistas desde el principio

«Un buen diseñador hace simulaciones térmicas antes de construir las placas e intuye de antemano lo que podría ver. Pero muchas empresas no tienen la capacidad o el software necesario para realizar cálculos térmicos complejos, por lo que simplemente aplican las prácticas recomendadas y solo preguntan cuándo surge el problema. Es entonces cuando a veces vienen a nosotros después de hacer pruebas y detectar problemas relacionados con el calentamiento», dice Jeffrey Beauchamp.

En la industria electrónica de hoy día, cada vez se necesitan más soluciones de gestión térmica especiales. Los expertos de NCAB explican los métodos disponibles.
Los diseños de alta potencia a menudo tienen una demanda de gestión térmica. Se recomienda diseñar la PCB de acuerdo con nuestras pautas de diseño, para garantizar la fabricación. Las pautas de diseño para PCBs multicapa, HDI. Flex / Rigid Flex y Semi-Flex se encuentran disponibles para descargar desde aquí.

En lugar de esto, una recomendación para las empresas, es que incluyan a especialistas como NCAB en las fases tempranas del proceso de diseño.

«Elegir la alternativa correcta desde el principio, le ahorrará mucho tiempo, dinero y problemas».

Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA

«Así podremos sugerir un stackup o un material alternativo para evitar problemas de una forma sencilla y rápida», dice, y añade: «Puede que a veces esto no sea suficiente y tengamos que recurrir a una solución más compleja. Pero sigue siendo mejor recurrir antes a nosotros porque volver a construir y a probar un circuito puede costar mucho tiempo y dinero. En NCAB siempre subrayamos la importancia de hacer las cosas bien desde el principio, pero, si hablamos de gestión térmica, esto es todavía más importante, ya que estas placas son más caras de fabricar. Elegir la alternativa correcta desde el principio le ahorrará mucho tiempo, dinero y problemas».

¿Cómo se gestiona el exceso de calor en el PCB sin componentes?

Hay varias formas de gestionar el exceso de calor en la circuito vacío. Hemos hecho una serie de preguntas al respecto a Jeffrey Beauchamp y a Mario Cianfriglia.

¿Cuándo hay que buscar soluciones especiales para la gestión térmica a nivel de placa vacía, y no solo a nivel de placa montada?

Jeffrey Beauchamp (JB): «En la circuito montado, el calor se extrae del conjunto formado por la placa y los componentes y se envía a la atmósfera utilizando evacuadores o disipadores térmicos, y sio es  necesario con algún tipo de refrigeración por ventilación o líquido refrigerante. Si eso no resuelve el problema del calentamiento, habrá que buscar soluciones en la placa sin componentes. Ambos niveles, el de la placa sin componentes y el de la placa montada, van de la mano, ya que en el circuito montado,  tomamos el calor del conjunto de la placa y los componentes y lo evacuamos a la atmósfera, mientras que en la placa sin componentes cogemos el calor y lo trasladamos por la placa hasta la superficie, donde la refrigeración de la placa montada lo disipa».

En la imagen se puede ver un disipador de calor como solución de refrigeración externa. Debido a la tendencia a la miniaturización en la fabricación de los equipos electrónicos, con productos y componentes cada vez más pequeños, así como placas de circuito impreso más densas, es más difícil aplicar este tipo de soluciones de refrigeración tradicionales.

¿Cómo se gestiona el exceso de calor en la placa sin componentes?

Mario Cianfriglia (MC): «En un proyecto bien gestionado, durante la fase de diseño, deberá haberse considerado cómo se colocarán los componentes en la placa y el tamaño de las pistas. También es importante asegurarse de que el grosor del cobre sea suficiente para evitar el calentamiento más allá de los niveles de tolerancia establecidos. Los diseñadores deberán tener en cuenta todos los datos de los componentes de la placa y de los materiales utilizados. También tienen que saber a qué temperatura trabajará la PCB para identificar el material más adecuado en cuanto a Tg (temperatura de transición vítrea) y Td (temperatura de descomposición). La PCB nunca debe acercarse a las temperaturas en las que los materiales se descompondrían causando que la PCB falle prematuramente».

JB: «A nivel de placa, hay algunas formas de eliminar el exceso de calor. La más sencilla es fusionar la PCB con una placa de aluminio. Esto lo encontramos en las PCB de tecnología más sencilla. En combinación con un material compuesto con pre-impregnación térmica (prepreg),  se obtiene una gestión térmica muy básica. El siguiente nivel sería una base metálica aislada, o PCB IMS, que vemos mucho en la iluminación industrial. Normalmente esto se utiliza en las placas de solo una capa. Aquí una placa base de metal, normalmente aluminio, se recubre con una fina capa de prepreg o resina, y después con una lámina de cobre. El sistema IMS se puede utilizar también en placas de dos y hasta de cuatro capas, aunque esto es más complejo en términos de diseño. Algunos de los faros de automoción de alta gama se hacen con un circuito IMS monocapa de metal flexible que se dobla para darle su forma».

«La PCB nunca debe acercarse a las temperaturas en las que los materiales se descompondrían,  causando que la PCB falle prematuramente».

Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy

MC: «El siguiente nivel de gestión térmica después de IMS son los “campos de vías” («via farm») o vías térmicas. Aquí entramos en un área mucho más compleja, por los procesos que se utilizan en la fabricación de estas vías térmicas. Básicamente, todas las tecnologías posibles intervienen para dotar a los taladros de mayor conductividad térmica, para lo cual se deposita una capa de cobre muy gruesa en las paredes de los taladros, que después se rellenan con resinas conductoras y no conductoras y, por último, la superficie del taladro se tapona con cobre. Todo esto es para conseguir un campo de taladros capaz de transportar grandes cantidades de energía calorífica. Aquí el diseñador debe tener en cuenta todos los parámetros operativos del conjunto, algo necesario para saber dónde colocar determinados componentes».

JB: «El cobre es el segundo material con mayor conductividad térmica, solo por detrás del diamante. Por eso se puede decir con seguridad que es óptimo para evacuar el calor. Con los campos de vías térmicas creamos, por decirlo de alguna manera, más salidas por las que se puede disipar el calor hacia fuera».

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MC: «Por último, el método conocido como «copper coin» es la solución más avanzada para la gestión térmica. Consiste en incluir piezas de cobre de dimensiones y geometrías predefinidas (cilíndricas o cúbicas) y altura variable. Suelen tener forma de T para transportar la mayor cantidad de calor posible a la cara opuesta de la placa. Esta tecnología se utiliza para refrigerar componentes activos, como QFP (encapsulado cuadrado plano). Para enfriar el máximo posible el componente, se coloca una pieza de cobre debajo del mismo mediante diversas técnicas: puede fijarse en la superficie o en una cavidad, integrarse dentro de la PCB durante el proceso de prensado multicapa o encastrarse a presión».

JB: «Las piezas de cobre son algo a lo que recurrir cuando otras alternativas no han funcionado. A veces los clientes que han tenido problemas con la gestión térmica al probar las placas,  nos preguntan por esta tecnología, pero muchas veces no son conscientes de lo complicado y caro que puede ser introducir este tipo de solución en una construcción ya existente. Parece fácil eso de insertar una pieza sólida de cobre que disipe el calor, pero los cambios estructurales necesarios, pueden ser bastante extremos. Normalmente suele haber soluciones más sencillas para los problemas. No hace falta una cañón para matar un mosquito, hay herramientas más sencillas para hacerlo».

«El cobre es el segundo material con mayor conductividad térmica, solo por detrás del diamante».

Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA

¿Cuáles son los pros y los contras de los diferentes métodos de gestión térmica?

MC: «Al final, es la aplicación la que dicta qué solución elegir para afrontar los problemas de calentamiento. En la mayoría de los casos, lo que determina la elección suele ser el coste, que a su vez está relacionado, con el nivel de sofisticación de la tecnología en cuestión».

JB: «La ventaja de las piezas de cobre es que se consigue una excelente conductividad térmica. El componente está unido directamente al cobre y disipador térmico. Pero, como ya he mencionado, plantea importantes desventajas en cuanto a costes y complejidad. Este método plantea muchas exigencias al diseño y son pocas las fábricas que pueden fabricar estos circuitos.

Por el contrario, la ventaja de las vías térmicas es que casi cualquier fábrica puede hacerlas. Solo hace falta taladrar las vías. El coste de fabricación es, por tanto, relativamente bajo y tampoco supone grandes cambios en la producción. Se añaden más vías, lo que en sí mismo, únicamente limita el espacio disponible por dónde se pueden enrutar los componentes, pero sigue siendo una solución más fácil que fabricar con las piezas de cobre. Una desventaja de los campos de vías es que hay que usar más cobre para el metalizado (rellenado), teniendo un importante impacto sobre el coste. Como alternativa se pueden utilizar resinas epoxi termo-conductoras, pero eso también es relativamente caro y la conductividad no es la misma.

Ambos métodos tienen también el posible inconveniente de que poseen tan buena transferencia térmica que pueden dificultar el montaje a quien vaya a soldar los componentes en la placa. Cuando hablamos con diseñadores de PCB, siempre recomendamos que también se pongan en contacto con la empresa que se las fabricará o montará.

Las ventajas de IMS son la sencillez, eficiencia y moderada fabricación. El inconveniente es que se limita enormemente el número de capas que se pueden tener. Las IMS monocapa son muy comunes. Las IMS de dos capas, menos, y los tipos de diseño se ven algo limitados. Una IMS de tres capas es muy poco común. NCAB puede hacer hasta IMS de cuatro capas, pero no es fácil. Sigue siendo más económico que una placa con piezas de cobre, pero plantea exigencias muy específicas en cuanto al stackup,  las capas interconectadas, etc.».

«Podemos ayudar en todo el espectro de la gestión térmica, desde IMS y campos de vías hasta piezas de cobre prácticamente en cualquier punto de la geografía,  en el que estemos presentes».

Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA

¿Qué puede ofrecer NCAB en este campo?

MC: «Podemos ayudar a nuestros clientes con todas estas tecnologías en las que hay que tener en cuenta muchos parámetros. Gracias a nuestra enorme experiencia en diseño, podemos recomendar las opciones más adecuadas para una aplicación específica. También tenemos fábricas donde se pueden abordar estos productos. Cuanto antes nos involucremos en un proyecto, mejor podremos ayudar a los clientes a encontrar la mejor solución posible».

JB: «Podemos ayudar en todo el espectro de la gestión térmica, desde IMS y campos de vías hasta piezas de cobre, prácticamente en cualquier punto de la geografía en el que tengamos presencia. Podemos ayudar con todo, desde prototipos hasta producción de volumen. La gestión térmica es realmente un campo en el que los clientes pueden beneficiarse mucho de nuestra experiencia, sobre todo teniendo en cuenta la creciente demanda de soluciones especiales. Dudo que nadie más tenga un conocimiento tan profundo de lo que es posible, puesto que nosotros trabajamos con estos temas cada día».


Tres métodos principales para la gestión térmica en las placas de circuitos impresos

  • IMS (sustrato de metal aislado): la placa de circuito impreso se compone de una placa metálica, normalmente aluminio, en la que una lámina de cobre va unida a una resina o prepreg termoconductor especial.
  • Campos de vías (via farm) o vías térmicas: se perforan más taladros y se aumenta la cantidad de cobre o se utiliza resina epoxi conductora para disipar el calor.
  • Piezas de cobre (copper coin): se unen elementos de cobre adicionales a determinados componentes para evacuar directamente el calor.