13 de noviembre de 2008 anÁlisis tÉrmico de producto electrÓnico. garantía de funcionamiento en...
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13 de noviembre de 2008
ANÁLISIS TÉRMICO DE ANÁLISIS TÉRMICO DE
PRODUCTO ELECTRÓNICO. PRODUCTO ELECTRÓNICO.
Garantía de funcionamiento Garantía de funcionamiento
en cada entorno.en cada entorno.
Iñaki Larequi:
Desarrollo de Producto Electrónico.
Jesús Esarte:
Mecánica de Fluidos e Ingeniería Térmica.
Pág. 2
ÍndiceÍndice
1. Necesidad de análisis térmico
2. Análisis térmico: influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 3
1Iñaki Larequi
Desarrollo de Producto Electrónico
Necesidad de análisis térmicoNecesidad de análisis térmico
Pág. 4
ÍndiceÍndice
1.1. Evolución del producto electrónico.Evolución del producto electrónico.
2.2. Metodología tradicional ante la problemática de Metodología tradicional ante la problemática de la disipación térmica.la disipación térmica.
3.3. Análisis térmico en el ciclo de diseño como Análisis térmico en el ciclo de diseño como nueva metodología de trabajo.nueva metodología de trabajo.
1Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 5
1. Evolución del producto electrónico1. Evolución del producto electrónico
La electrónica ha revolucionado el sector industrial y de consumo, en sus productos y en sus procesos.
Esta evolución ha sido posible gracias a:
--Prestaciones funcionales que aportan: procesamiento, control, comunicaciones, interfaces hombre/máquina.
--Reducción de costes e incremento prestaciones. (Ley de Moore)
--Disminución del volumen de los productos: reducción del tamaño de componentes, equipos portables, estética de producto.
Como tendencia generalizada, se ha evolucionado de grandes sistemas electrónicos centralizados a pequeños sistemas electrónicos distribuidos. .
Esta circunstancia ha condicionado la forma en que los problemas de disipación térmica deben gestionarse.
1Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 6
1. Evolución del producto electrónico1. Evolución del producto electrónico
La plataforma x86 de Intel ha sido referencia de la evolución de producto electrónico tanto a nivel PC cómo en sistemas embebidos.
¿Cómo ha evolucionado la potencia disipada?
-Intel 486DX4-100 (1993): 2 Watios
-Intel Pentium 4 “Prescott” 3 GHz: 115 Watios
En el futuro, esta tendencia todavía será más acentuada.
Intel en su plataforma 2015 pronostica que un incremento de 1 % de procesamiento requiere 3 % en consumo de energía.
¡¡¡Ley de Moore en peligro, por problemas de gestión térmica!!!
1Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 7
1. Evolución del producto electrónico1. Evolución del producto electrónicoEl sector de automoción también ha experimentado una gran evolución en la incorporación de electrónica.
Algunos números:
1995 2005ECUs 1 70POTENCIA INSTALADA 2 KW 10 KW
REDES COMUNICACIÓN 0 >101
Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 8
2. Metodología tradicional ante la 2. Metodología tradicional ante la problemática de la disipación térmicaproblemática de la disipación térmica
A nivel térmico, la gran mayoría de los diseños de producto electrónico parten de unas especificaciones limitadas/desconocidas:
-Potencia disipada estimada.
-Dimensiones físicas.
-Temperatura ambiente de trabajo.
-Interacción con otros equipos.
Bien avanzado el ciclo de desarrollo del producto se adoptan decisiones encaminadas a controlar el efecto de la disipación térmica, bajo una
estrategia de Prueba&Error basada en la experiencia anterior.
1Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 9
2. Metodología tradicional ante la 2. Metodología tradicional ante la problemática de la disipación térmicaproblemática de la disipación térmica
En función de la problemática particular, existe una variedad amplia de soluciones:
1
Disipadores
Ventilación forzada
Sustratos de pcbespeciales (Al, Cu)
ChasisMateriales
termo-conductivos
Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pero...
Pág. 10
2. Metodología tradicional ante la 2. Metodología tradicional ante la problemática de la disipación térmicaproblemática de la disipación térmica
Esta metodología presenta una serie de inconvenientes:
-Las soluciones adoptadas no tienen por qué ser óptimas:
-Penaliza el coste del producto.
-Aumento del tamaño/volumen del producto.
-Dificulta el proceso de industrialización del producto.
-No asegura la fiabilidad del producto.
-MTBF=Fon(Temp)
-Ejemplo: Condensador electrolítico
75ºC 500Kh
100ºC 100Kh
-Hasta las pruebas de homologación, no existe garantía de éxito1
Eficacia Eficiencia
RIESGO
Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 11
3. Análisis térmico en el ciclo de diseño 3. Análisis térmico en el ciclo de diseño como nueva metodología de trabajocomo nueva metodología de trabajoEl análisis térmico se integra desde el inicio del desarrollo de producto, y con carácter iterativo, siguiendo los siguientes pasos:
• PASO1: Definición de especificaciones iniciales.
– Identificación de componentes y estimación de potencia disipada.
– Definición de la colocación de componentes y de la geometría de la pcb.
– Definición de las condiciones de entorno: Temp. Ambiente, Otros equipos.
• PASO2: Definición de los objetivos que busca el análisis térmico.
– Fijar la temperatura máxima para componentes críticos.
– Conocer la temperatura de diferentes partes del producto: componentes, pcb, chasis,...
– Extraer información sobre la efecto a nivel térmico de otros equipos.1
Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 12
3. Análisis térmico en el ciclo de diseño 3. Análisis térmico en el ciclo de diseño como nueva metodología de trabajocomo nueva metodología de trabajo• PASO3: Cálculos y simulaciones térmicas.
• PASO4: Análisis de resultados y obtención de conclusiones:
– Que permiten realimentar el PASO1.
– Que permiten mejorar el diseño eléctrico.
• Elección de componentes.
• Colocación de componentes en pcb.
• Integración de soluciones para mejorar la disipación térmica: disipadores, sustratos, chasis, etc.
• Estudio de fiabilidad con rigor.
• PASO5: Realización de ensayos experimentales.
– Que permiten contrastar los resultados previos.
– Que permiten realimentar las especificaciones (PASO1)
y la modelización de la simulación (PASO3).1
Iteración en elAnálisis Térmico
Iteración en el
Análisis Térmico
Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 13
3. Análisis térmico en el ciclo de diseño 3. Análisis térmico en el ciclo de diseño como nueva metodología de trabajocomo nueva metodología de trabajo
Respecto a la metodología tradicional, se obtienen importantes ventajas:
1. Se adoptan soluciones óptimas a nivel eléctrico y mecánico.
El coste y el volumen se ajustan a las prestaciones del producto.
2. Se consigue un diseño robusto, cumpliendo las especificaciones.
3. Las condiciones de trabajo/entorno del producto quedan definidas.
4. Se adquiere un gran conocimiento de la problemática térmica:
- Reutilizable para nuevas condiciones de trabajo del producto.
- Escalable para nuevos desarrollos de producto (librería térmica).
1Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 14
2Jesús Esarte
Mecánica de Fluidos e Ingeniería Térmica
Análisis térmico: influencia del Análisis térmico: influencia del entorno, el diseño y los entorno, el diseño y los componentescomponentes
Pág. 15
ÍndiceÍndice
2
1- Análisis térmico
2-¿Qué factores influyen en la temperatura del componente?
3- Garantía del producto
Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 16
1- Análisis térmico1- Análisis térmico
2
La metodología que incorpora un análisis térmico permite dar una respuesta eficaz y eficiente en cuanto a:
- Aumento de prestaciones.
- Reducción de tamaño.
- Menor tiempo de respuesta a mercado.
- Reducción de costes.
Se cuenta con la información precisa para la toma de decisiones.
Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 17 2
Análisis térmico Conocer las temperaturas
Varios son los factores que entran en juego en la temperatura alcanzada por el componente
• Tipología del componente
• El sustrato (PCB)
• Layout
• Entorno
Tj= R*Q+Tc
2- ¿Qué factores influyen en la 2- ¿Qué factores influyen en la temperatura del componente?temperatura del componente?
Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 18 2
2- ¿Qué factores influyen en la 2- ¿Qué factores influyen en la temperatura del componente?temperatura del componente?
- Resistencia térmica unión-soldadura “R”
• Tipología del componente• El sustrato (PCB)• Pad térmico
• Layout• Cerramiento• Temperatura ambiente• Ubicación.....
- Temperatura de la soldadura “Tc”
- Elementos disipación externos
Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 19 2
•Tipología de componente
Rcase-head
Rjunction-case
PT
Thead =125ºC
125 ºC
Tcase
Tjunction
MOSFET transistor
Cylinder head Heat sink
Aluminium
Dielectric
Copper
Convencional-THT (PO-8) SMD (D2PAK)
- Transferencia térmica mediante amplias superficies de contacto. Pueden mejorar en una relación 5 a 1.- Rendimiento mediante la mejora de sus características de conducción.
Ej: Mosfet 150V TO-220 Rds(on)=0.5 Mosfet D2-PAK Rds(on)=0.05
R 32%
2- ¿Qué factores influyen en la 2- ¿Qué factores influyen en la temperatura del componente?temperatura del componente?
Resistencia térmica unión-soldadura “R”
Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 20
0
50
100
150
200
250
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
AREA (mm2)R
ES
IST
EN
CIA
(ºC
/W)
2
•Tipología de PCB (normativa JEDEC “JESD51-7”)D2PAK
FR-4. 1oz cooper board
R 74%
2- ¿Qué factores influyen en la 2- ¿Qué factores influyen en la temperatura del componente?temperatura del componente?
Resistencia térmica unión-soldadura “R”
Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 21 2
• Pad térmico
D2PAK
0
50
100
150
200
250
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
AREA (mm2)
RE
SIS
TE
NC
IA (
ºC/W
)
FR-4. 1oz
Cobre en cara superior e inferior
Cobre en cara superior
A-C (1oz FR-4)
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
0,00 200,00 400,00 600,00 800,00 1000,00 1200,00 1400,00
Resistencia (ºC/w)
area
(m
m2)
A
C
R 42%
2- ¿Qué factores influyen en la 2- ¿Qué factores influyen en la temperatura del componente?temperatura del componente?
Resistencia térmica unión-soldadura “R”
Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 22 2
2- ¿Qué factores influyen en la 2- ¿Qué factores influyen en la temperatura del componente?temperatura del componente?
La temperatura de la soldadura “Tc” está íntimamente relacionada con el entorno inmediato al componente.
Temp. Entorno “Tent”
Erróneamente estimada
o
Desconocida
Tc= f(Tent) ¿Tc?
¿Tj?
¿Entorno?
Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 23 2
layout flujo de aire temperatura
• Layout
Temperatura del entorno “Tent”
Mismo componente Tent Tj
2- ¿Qué factores influyen en la 2- ¿Qué factores influyen en la temperatura del componente?temperatura del componente?
Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 24
LOWER COVER: POLYPROPYLENE LOWER COVER: ALUMINUM
• El cerramiento
• Material de cerramiento
2
Temperatura del entorno “Tent”
Tj 3%
2- ¿Qué factores influyen en la 2- ¿Qué factores influyen en la temperatura del componente?temperatura del componente?
Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 25
• Ubicación de la tarjeta
2
Temperatura del entorno “Tent”
2- ¿Qué factores influyen en la 2- ¿Qué factores influyen en la temperatura del componente?temperatura del componente?
Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
En una configuración real una tarjeta va colocada dentro de un armario en donde existen otras tarjetas, iguales o no, que influyen directamente en la temperatura del entrono inmediato de la tarjeta o componente en cuestión. Es preciso cuantificar este efecto ya que pudiera hacer que el componente estuviera trabajando en unas condiciones fuera de las de diseño.
Pág. 26
Temp ambiente: 100ºC Interior: aire estanco
Temp ambiente: 100ºC Interior: Pasta 1.38 w/mK
Temp ambiente: 30ºC Interior: aire estanco
2
Temperatura del entorno “Tent”
Tj 33%
Tj 16%
2- ¿Qué factores influyen en la 2- ¿Qué factores influyen en la temperatura del componente?temperatura del componente?
Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 27
Elementos disipativos externos
2
2
Tj 34%
2- ¿Qué factores influyen en la 2- ¿Qué factores influyen en la temperatura del componente?temperatura del componente?
Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
• Efecto de la excentricidad y/o relación de aspecto entre componente y elemento disipativo.
Pág. 28 2
1. Varios son los factores que tienen una gran influencia en la temperatura del componente que es preciso considerar en cada desarrollo electrónico particular.
3- Garantía de producto3- Garantía de producto
En resumen,
- Permite dar una solución eficaz y eficiente
Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 29 2
2. Cuantificar diferentes entornos que a priori son vagamente conocidos o desconocidos por completo.
-Permite garantizar el correcto funcionamiento del producto en un rango de escenarios.
3- Garantía de producto3- Garantía de producto
Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes
Pág. 30
AgradecimientosAgradecimientos
www.cemitec.com 13 de noviembre de 2008
ANÁLISIS TÉRMICO DE ANÁLISIS TÉRMICO DE
PRODUCTO ELECTRÓNICO. PRODUCTO ELECTRÓNICO.
Garantía de funcionamiento Garantía de funcionamiento
en cada entorno.en cada entorno.
Iñaki Larequi:
Desarrollo de Producto Electrónico.
Jesús Esarte:
Mecánica de Fluidos e Ingeniería Térmica.
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MERCADO DE LA DISIPACIÓN TÉRMICA
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010
Año
Ing
res
os
(m
illo
ne
s d
ola
res
)
Gasto en este campoGasto en este campo
Conciencia en el problema de la disipación de calor
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Caso práctico: Driver control motor PAP Caso práctico: Driver control motor PAP Especificaciones de diseño a nivel térmico:
- Aplicación para maquinaria industrial, TAMB=+50ºC.
- Tarjeta Driver atornillada a motor, cubierta de carcasa de plástico.
Desarrollo P.E - Disipación Térmica D.P.E
Topología hardware TMAX componentes Potencia disipada Coste tarjeta/1Ku Mecanizado
CI nº1 + 8MOSFET´s +85ºC 3.2W Tarjeta, 0.8W motor 25 € Rejillas en carcasa
CI nº2 + 8MOSFET´s +100ºC 1.2W Tarjeta, 0.8W motor 32 € Ninguno
Rejillas
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