Problemas de diseño del calentador de PCB

Question

Estoy utilizando pistas de cobre colocadas en una placa FR4 como dispositivo de calentamiento. Es un diseño en forma de serpentina con el cobre de 0,3 mm de ancho y 0,2 mm de espacio. Tengo tres conjuntos de pistas que pretendo calentar a diferentes temperaturas, una de ellas a 95°C.

A unos 85°C, la placa cerca de las pistas empieza a deformarse (ver imagen), con humo saliendo, de las pistas.

Mi pregunta es, ¿el aumento de la anchura de las pistas ayuda a aumentar la estabilidad térmica? Además, ¿el espaciado también juega un papel importante en ello?

¿El uso de una placa más gruesa ayuda a lidiar con el estrés térmico? Si no es así, ¿cómo puedo añadir la capacidad de disipación para ello?

Por cierto, estoy usando un transistor TIP122 con una entrada PWM para calentarlo. El consumo de corriente es de aproximadamente 1,5 ~ 2 A.

Answer 1

La estabilidad térmica no es su problema. O bien estás utilizando tus trazas más calientes de lo que crees, o tu sustrato no es FR4. Tus temperaturas son lo suficientemente altas como para que el epoxi esté fallando y la placa se esté delaminando.

Dado que tienes un sensor de temperatura conectado a las trazas, asumiré que tu medición de la temperatura es precisa. Así que me centraré en el sustrato. Desgraciadamente, "FR-4" no dice nada sobre los materiales reales utilizados en la fabricación de una placa de circuito impreso. Sólo se refiere a la inflamabilidad: "FR" significa "Flame Resistance", después de todo. Y lo que es peor, FR4 se ha convertido en un término genérico, como Kleenex, y no hay garantía de que cualquier sustrato etiquetado como FR4 se ajuste realmente a la norma. Este sitio por ejemplo, indica que la temperatura de funcionamiento continuo para el FR4 es de 285 F (140C) como mínimo, por lo que un sustrato FR4 real debería sobrevivir a su situación.

Yo sugeriría encontrar otro proveedor de PCB.

Answer 2

Se mezclan materiales con resistencias térmicas muy diferentes. ¡El típico plano de cobre común de la placa de circuito impreso (2 oz 0,07 mm) tiene una resistencia térmica lateral de 40oC/W y la placa de 1,5 FR4 2.400oC/W!

Por lo tanto, el calor lateral fluye a través del cobre, es decir, desde los lados del PCB. Esto puede resolverse utilizando una gran superficie y caminos cortos (se refiere al flujo térmico). Por lo tanto, incluso utilizando una placa más gruesa, el calor sigue fluyendo a través del cobre.

Además, los amplios espacios entre las pistas de cobre aumentan la temperatura.

Una placa de circuito impreso de doble cara ayudará, porque en este caso el calor fluirá a través de la placa.

Con un diseño cuidadoso se puede reducir la resistencia térmica total hasta 8oC en comparación con 160oC.