13 de noviembre de 2008 anÁlisis tÉrmico de producto electrÓnico. garantía de funcionamiento en...

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.


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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!!!


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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

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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.


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En función de la problemática particular, existe una variedad amplia de soluciones:

1

Disipadores

Ventilación forzada

Sustratos de pcbespeciales (Al, Cu)

ChasisMateriales

termo-conductivos


Pero...

Pág. 10


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


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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


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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


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).


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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

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ÍndiceÍndice

2

1- Análisis térmico

2-¿Qué factores influyen en la temperatura del componente?

3- Garantía del producto


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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.


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?


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- 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


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%


Resistencia térmica unión-soldadura “R”


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%




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%




Pág. 22 2


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?


Pág. 23 2

layout flujo de aire temperatura

• Layout

Temperatura del entorno “Tent”

Mismo componente Tent Tj



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LOWER COVER: POLYPROPYLENE LOWER COVER: ALUMINUM

• El cerramiento

• Material de cerramiento

2


Tj 3%



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• Ubicación de la tarjeta

2




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.

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Temp ambiente: 100ºC Interior: aire estanco

Temp ambiente: 100ºC Interior: Pasta 1.38 w/mK

Temp ambiente: 30ºC Interior: aire estanco

2


Tj 33%

Tj 16%



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Elementos disipativos externos

2

2

Tj 34%



• 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


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


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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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