Refrigeración del PCB: un asunto descuidado, pero importante

Existen multitud de artículos referentes a cómo se debe realizar la refrigeración de los chips como la CPU, la GPU, etc., y multitud de artículos con comparativas y reviews sobre los sistemas de refrigeración existentes. Sin embargo, ¿alguna vez te has preguntado si la refrigeración es también importante y necesaria en las placas de circuito impreso o PCB?

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Introducción

La gestión térmica es esencial para la longevidad y confiabilidad de los circuitos eléctricos, y esto no solo incluye a los circuitos integrados o chips, también a los circuitos impresos o PCB. El calor excesivo puede degradar materiales y dispositivos (material dieléctrico de las capas, pistas conductoras, soldaduras, generar tensiones y roturas debido a la dilatación,…), lo que pone en riesgo su rendimiento y la fiabilidad.

Para PCB con componentes de alta potencia, se debe considerar la temperatura máxima de funcionamiento y el consumo de energía al diseñar. El diseño y la ubicación de componentes son cruciales para disipar el calor de manera efectiva.

¿Entonces? ¿Por qué no se ven sistemas de refrigeración también para el PCB, como la placa base? Bien, lo cierto es que en la mayoría de los casos los sistemas de refrigeración auxiliares, como los que puede haber en la carcasa, o los propios que integran los dispositivos de mayor potencia, como la GPU, CPU, etc., suelen ser suficientes. Aunque esto no quita de que se deba prestar atención al PCB como veremos en los siguientes apartados.

Problemas habituales por sobrecalentamiento

El sobrecalentamiento de una PCB puede generar una serie de problemas habituales que afectan tanto al rendimiento de los componentes como a la fiabilidad del circuito en general, como:

• Degradación de componentes: el calor excesivo puede acelerar la degradación de los componentes electrónicos, como transistores, resistencias, condensadores y microprocesadores. Esto puede reducir su vida útil y llevar a fallos prematuros. También puede degradar las soldaduras, haciendo que se fundan o se despeguen, y generar problemas de conectividad. Por otro lado, las soldaduras de los chips BGA, como el chipset, suelen ser bastante sensibles a las tensiones y el estrés térmico, es decir, cuando se dilatan los materiales por el calor y luego se contraen al enfriarse, generando tensión y finalmente la rotura o grietas.
• Reducción del rendimiento: cuando los componentes se calientan demasiado, su rendimiento puede degradarse. Por ejemplo, los microprocesadores pueden ralentizarse para evitar el sobrecalentamiento, lo que disminuye la velocidad de procesamiento.
• Interferencia electromagnética y ruido: el calor puede generar interferencia electromagnética (EMI) y aumentar la susceptibilidad a señales externas no deseadas, lo que puede afectar negativamente al rendimiento del circuito y a la integridad de la señal.
• Deterioro del aislamiento: puede degradar el material dieléctrico y otros materiales aislantes presentes en la PCB, lo que puede resultar en fugas eléctricas y cortocircuitos. Por ejemplo, podría afectar a los barnices aislantes usados a nivel superficial, a las capas intermedias, etc.
• Inestabilidad y reinicios: las altas temperaturas pueden causar inestabilidad en el funcionamiento del circuito, lo que puede resultar en reinicios inesperados o bloqueos del sistema.
• Daño a la PCB: puede dañar físicamente la PCB, curvando o deformando la placa y afectando su integridad estructural.

Consideraciones durante el diseño del PCB

Durante el diseño de un PCB, como el de una placa base, el de una tarjeta gráfica, etc., se tienen en cuenta una serie de consideraciones para garantizar que toleran la temperatura para la que han sido diseñados. Algunos ejemplos son:

Materiales

Además de los enfoques de enfriamiento activo y pasivo, otro elemento crítico en la gestión térmica es la elección apropiada de materiales específicos para las capas y sustratos de la PCB. En comparación con soluciones convencionales más económicas, estos materiales ofrecen una mayor capacidad de conducción térmica y una distribución homogénea del calor en todas las áreas.

El FR-4, ampliamente empleado como sustrato en PCB convencionales, presenta una conducción térmica bastante limitada. Para aplicaciones que emplean componentes de alta potencia como MOSFETs o LEDs de potencia, chips de alto consumo (gran TDP), etc., se pueden emplear un núcleo de aluminio o metal (MCPCB). No obstante, estas soluciones restringen la cantidad de capas que pueden incluirse en una pila de PCB multicapa.

Por otro lado, el material para las capas de aislamiento no solo debe ser un buen aislante eléctrico, también deben tener una buena conductividad térmica, aunque esto no suele ser así en estos materiales dieléctricos. Pero se deben seleccionar los que mayor conductividad térmica tengan…De lo contrario, el calor atrapado en las capas intermedias no será disipado fácilmente, lo que afectará al incremento de la temperatura total de la placa.

Otras reglas de diseño

Los diseñadores pueden utilizar algunos trucos de diseño para tratar de mejorar las condiciones térmicas del PCB. Algunos ejemplos son:

• Posicionar componentes sensibles a la temperatura en áreas más frescas y alejadas de los componentes de mayor potencia. Además, deben asegurar que los componentes que requieren mayor disipación de calor estén en zonas donde se facilite la disipación. Colocar componentes de alta potencia cerca del centro de la placa para distribuir el calor uniformemente es una buena idea, evitando bordes y esquinas.
• Usar vías térmicas cercanas a la fuente de calor para mejorar la conducción y la disipación del calor, distribuyéndolo por la PCB.
• Layout de tierra continuos son cruciales para la disipación de calor, dirigiéndolo hacia áreas con mayor superficie.
• La gestión térmica depende de la forma y grosor de la almohadilla de cobre superior en la PCB. Es decir, utilizar pistas de cobre de mayor grosor para conectar los dispositivos, usando estas pistas también como elementos de disipación térmica. Sin embargo, la creación de trazas más anchas se vuelve un reto a medida que aumenta el grosor del cobre, lo que da lugar a dificultades en el diseño del espaciado entre las trazas.
• Durante la fabricación, la cantidad de material de soldadura que une los componentes superficiales a la PCB debe ser la mínima posible, ya que no tiene una conductividad tan buena como el cobre.
• Por otro lado, es necesario incluir en los elementos de mayor potencia pads térmicos para mejorar la disipación, así como vías térmicas, es decir, elementos de gran conductividad térmica que atraviesan la PCB para contribuir a la disipación del calor.

• Integrar sistemas de disipación de calor pasivos o activos en los elementos de la PCB que sea necesario. Por ejemplo, en una placa base se deben poner disipadores o ventiladores, e incluso head pipes en el chipset, los MOSFET que rodean a la CPU, etc. Al bajar la temperatura de estos dispositivos también se contribuye a bajar la del PCB en general.

Estas estrategias son esenciales para garantizar una adecuada disipación de calor y un rendimiento óptimo de la PCB. Y se deben realizar desde etapas tempranas del diseño del PCB, cuando está en software EDA. Además, este tipo de software moderno también permite simular ciertas condiciones de uso para ver parámetros como el consumo y la energía disipada en forma de calor. Por tanto, las simulaciones ayudan a volver al diseño original y rediseñar hasta que los valores sean los adecuados.

¿Qué puedes hacer tú?

Además de incluir dispositivos de refrigeración a componentes como la CPU, la GPU, la PSU, disipadores en la memoria RAM, e incluso sistemas pasivos o activos para las últimas unidades SSD, hay algo muy importante que puedes hacer para mejorar la refrigeración de la PCB:

• La temperatura de la habitación donde se encuentre el equipo debería estar a una temperatura adecuada, de unos 20ºC. En climas calurosos o durante el verano, sería muy recomendable tener sistemas de aire acondicionado.
• Mantén siempre los sistemas de refrigeración sin suciedad ni obstrucciones en las rejillas de ventilación. Para ello, es necesario un buen mantenimiento.
• No obstaculices las salidas o entradas de aire al equipo.
• Utiliza ventiladores en la caja o torre tanto para extraer el aire caliente del interior como para introducir aire fresco del exterior. Esto es vital, ya que ese flujo de aire será el único que esté en contacto con la PCB para refrescarla.
• Presta siempre atención a los sensores de temperatura repartidos por los distintos elementos del ordenador. Si ves temperaturas anómalas, apaga de inmediato.

Conclusión sobre la refrigeración de PCB

Como habrás visto en la actualidad, algunas placas base ya empiezan a incluir escudos térmicos que ocupan gran parte de su superficie, ayudando a refrigerar los chips y componentes de mayor potencia. Sin embargo, aun no son tan frecuentes estos métodos de refrigeración en este tipo de PCBs. Y, en la actualidad, con los medios de diseño y la refrigeración de los componentes críticos se pueden conseguir buenos resultados…

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