13 de noviembre de 2008 ANÁLISIS TÉRMICO DE PRODUCTO ELECTRÓNICO. Garantía de funcionamiento en cada entorno. Iñaki Larequi: Desarrollo de Producto Electrónico.

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1 13 de noviembre de 2008 ANÁLISIS TÉRMICO DE PRODUCTO ELECTRÓNICO. Garantía de funcionamiento en cada entorno. Iñaki Larequi: Desarrollo de Producto Electrónico. Jesús Esarte: Mecánica de Fluidos e Ingeniería Térmica.

2 Pág. 2 Índice 1.Necesidad de análisis térmico 2.Análisis térmico: influencia del entorno, el diseño y los componentes

3 Pág. 3 1 Iñaki Larequi Desarrollo de Producto Electrónico Necesidad de análisis térmico

4 Pág. 4 Índice 1.Evolución del producto electrónico. 2.Metodología tradicional ante la problemática de la disipación térmica. 3.Análisis térmico en el ciclo de diseño como nueva metodología de trabajo. 1 Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes

5 Pág. 5 1. 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. 1 Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes

6 Pág. 6 1. 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!!! 1 Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes

7 Pág. 7 1. Evolución del producto electrónico El sector de automoción también ha experimentado una gran evolución en la incorporación de electrónica. Algunos números: 1 Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes

8 Pág. 8 2. Metodología tradicional ante la problemática 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. 1 Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes

9 Pág. 9 2. Metodología tradicional ante la problemática de la disipación térmica En función de la problemática particular, existe una variedad amplia de soluciones: 1 Disipadores Ventilación forzada Sustratos de pcb especiales (Al, Cu) Chasis Materiales termo-conductivos Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes Pero...

10 Pág. 10 2. Metodología tradicional ante la problemática 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=F on (Temp) -Ejemplo: Condensador electrolítico 75ºC 500Kh 100ºC100Kh -Hasta las pruebas de homologación, no existe garantía de éxito 1 Eficacia Eficiencia RIESGO Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes

11 Pág. 11 3. Análisis térmico en el ciclo de diseño como nueva metodología de trabajo El 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

12 Pág. 12 3. Análisis térmico en el ciclo de diseño como 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 el Análisis Térmico Iteración en el Análisis Térmico Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes

13 Pág. 13 3. Análisis térmico en el ciclo de diseño como 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). 1 Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes

14 Pág. 14 2 Jesús Esarte Mecánica de Fluidos e Ingeniería Térmica Análisis térmico: influencia del entorno, el diseño y los componentes

15 Pág. 15 Índice 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

16 Pág. 16 1- 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

17 Pág. 17 2 Análisis térmicoConocer 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 T j = R*Q+T c 2- ¿Qué factores influyen en la temperatura del componente? Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes

18 Pág. 18 2 2- ¿Qué factores influyen en la 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 “T c ” - Elementos disipación externos Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes

19 Pág. 19 2 Tipología de componente 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 R ds(on) =0.5  Mosfet D2-PAK Rds(on)=0.05  R 32% 2- ¿Qué factores influyen en la temperatura del componente? Resistencia térmica unión-soldadura “R” Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes

20 Pág. 20 2 Tipología de PCB (normativa JEDEC “JESD51-7”) D2PAK FR-4. 1oz cooper board R 74% 2- ¿Qué factores influyen en la temperatura del componente? Resistencia térmica unión-soldadura “R” Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes

21 Pág. 21 2 Pad térmico D2PAK FR-4. 1oz Cobre en cara superior e inferior Cobre en cara superior R 42% 2- ¿Qué factores influyen en la temperatura del componente? Resistencia térmica unión-soldadura “R” Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes

22 Pág. 22 2 2- ¿Qué factores influyen en la temperatura del componente? La temperatura de la soldadura “T c ” está íntimamente relacionada con el entorno inmediato al componente. Temp. Entorno “T ent ” Erróneamente estimada o Desconocida T c = f(T ent ) ¿T c ? ¿T j ? ¿Entorno? Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes

23 Pág. 23 2 layoutflujo de aire temperatura Layout Temperatura del entorno “T ent ” Mismo componente T ent T j 2- ¿Qué factores influyen en la temperatura del componente? Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes

24 Pág. 24 LOWER COVER: POLYPROPYLENE LOWER COVER: ALUMINUM El cerramiento Material de cerramiento 2 Temperatura del entorno “T ent ” T j 3% 2- ¿Qué factores influyen en la temperatura del componente? Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes

25 Pág. 25 Ubicación de la tarjeta 2 Temperatura del entorno “T ent ” 2- ¿Qué factores influyen en la 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.

26 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 “T ent ” T j 33% T j 16% 2- ¿Qué factores influyen en la temperatura del componente? Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes

27 Pág. 27 Elementos disipativos externos 2 2 T j 34% 2- ¿Qué factores influyen en la 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.

28 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 producto En resumen, - Permite dar una solución eficaz y eficiente Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes

29 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 producto Necesidad análisis térmico – Influencia del entorno, el diseño y los componentes

30 Pág. 30 Agradecimientos

31 www.cemitec.com 13 de noviembre de 2008 ANÁLISIS TÉRMICO DE PRODUCTO ELECTRÓNICO. Garantía de funcionamiento en cada entorno. Iñaki Larequi: Desarrollo de Producto Electrónico. Jesús Esarte: Mecánica de Fluidos e Ingeniería Térmica.

32 Pág. 32 Gasto en este campo Conciencia en el problema de la disipación de calor

33 Pág. 33 Caso práctico: Driver control motor PAP Especificaciones de diseño a nivel térmico: - Aplicación para maquinaria industrial, T AMB =+50ºC. - Tarjeta Driver atornillada a motor, cubierta de carcasa de plástico. Desarrollo P.E - Disipación Térmica D.P.E Topología hardwareT MAX componentesPotencia disipadaCoste tarjeta/1KuMecanizado CI nº1 + 8MOSFET´s+85ºC3.2W Tarjeta, 0.8W motor25 €Rejillas en carcasa CI nº2 + 8MOSFET´s+100ºC1.2W Tarjeta, 0.8W motor32 €Ninguno Rejillas