19 de julio de 2022

Simulando fallos por temperatura en dispositivos electrónicos

Cada vez que un dispositivo se apaga y se enciende, su temperatura cambia. (La energía que fluye a través de varias capas de materiales fuertemente apilados hace que los dispositivos se calienten y luego se enfríen rápidamente. Esta repetida oscilación entre temperaturas a lo largo de la vida de un dispositivo se denomina ciclo térmico.

La importancia de la gestión térmica

Los ciclos térmicos, el proceso en el que un dispositivo pasa por estados de calor y frío, son una de las principales causas de fallos en la electrónica. Si se produce la fatiga térmica, pueden verse afectados múltiples sistemas dentro de los dispositivos, lo que da lugar a deformaciones, debilitamiento de las soldaduras, roturas o grietas y, finalmente, si no se mitiga, a un fallo general del producto.

Dado que la electrónica lo es todo hoy en día, la tensión causada por los ciclos térmicos afecta a los componentes de dispositivos de diversos sectores, como:

  • + Automoción
  • + Defensa y aeroespacial
  • + Biomedicina
  • + Manufactura
  • + Bienes de consumo

Causes of electronics failure

¿Qué hace que los componentes sean sensibles a los ciclos térmicos?

Hay varias razones por las que los componentes pueden ser sensibles a los ciclos térmicos, incluyendo el lugar en el que se coloca un componente en una placa de circuito y el tipo de componente, como los paquetes cuádruples planos sin plomo (QFN), las matrices de rejilla de bolas (BGA) y los condensadores cerámicos. Estos componentes no tienen cables conformes, por lo que sólo la soldadura está disponible para absorber la tensión.

En el caso de los componentes sensibles a la tensión, es importante no colocarlos en zonas de alta tensión de la placa, como:

  • Cerca de los agujeros de montaje
  • Áreas entre o cerca de componentes rígidos más grandes (como inductores)
  • Cerca de los bordes de la placa con marcas en V, donde la rotura de la marca en V puede dañar la pieza

Ejemplo de colocación de un QFN

En esta imagen se ha colocado un QFN entre dos grandes inductores en una placa de circuito impreso (PCB) con cuatro separadores de esquina. Durante un ciclo térmico, se pueden ver las zonas de alta tensión (indicadas en rojo y amarillo) que se desarrollan. La colocación del QFN en la zona de alta tensión resultante podría provocar el fallo de la junta de soldadura del QFN.

Quad flat no lead package

Tensión de soldadura en la electrónica

La soldadura es una de las formas más básicas de unir componentes en una placa de circuito. Al igual que un pegamento metálico caliente, la soldadura se funde y se utiliza para pegar las piezas mientras se endurece. Aunque la degradación de la soldadura puede deberse a las vibraciones o a los golpes, los ciclos térmicos son la causa más común de los fallos en las juntas de soldadura.

Cada material tiene un coeficiente de expansión térmica (CTE) único, y los desajustes entre los CTE de los materiales son uno de los principales motivos de la fatiga de la soldadura. Cuando la soldadura se somete a esfuerzos, las uniones entre los componentes y la placa de circuito pueden deformarse, agrietarse o romperse, lo que conlleva un riesgo de fallo.

Thermal fatigue crack

Stresses in BGA balls

Acelerando las pruebas de los ciclos térmicos para la vida útil

Todo lo que hay en una placa de circuito no es puramente eléctrico. A menudo, las capas de materiales que se utilizan para transmitir la electricidad están enterradas en lo más profundo de la placa de circuito y no pueden observarse desde la parte superior o inferior. A medida que la electricidad pasa a través de ellos, crecen, se encogen y se deforman. Predecir cómo reaccionarán estos componentes a los ciclos térmicos es fundamental para realizar pruebas de vida precisas.

Lo ideal es que, para evitar los fallos causados por la fatiga térmica, los ingenieros reduzcan los factores de tensión térmica en la fase de diseño. Mediante la simulación, pueden ver dónde se producirán las tensiones y realizar cambios en el número de capas de material y restricciones, la ubicación de los componentes y el relleno de material antes de fabricar un prototipo físico.

Cuando se utiliza la simulación para comprobar los riesgos de fiabilidad termomecánica, es importante utilizar un software que tenga capacidades de análisis de elementos finitos (FEA) o de análisis estructural. El FEA es una representación matemática de un sistema físico que utiliza el mallado para asignar elementos a su modelo. La técnica de mallado es increíblemente importante para un análisis preciso.

Diseñar una electrónica duradera

Comprender los riesgos de fiabilidad termomecánica es un paso fundamental a la hora de diseñar dispositivos electrónicos. Los ciclos de temperatura son una de las principales causas de fallos en la electrónica, y no diseñar los dispositivos teniendo en cuenta este riesgo puede provocar fallos inesperados en el producto. El uso de la simulación es un primer paso importante que los ingenieros pueden dar para eliminar los largos ciclos de diseño y reducir las múltiples iteraciones de prototipos.

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