Para las personas, un cuerpo demasiado caliente enferma. Los componentes electrónicos fallan cuando se calientan demasiado. Su fiabilidad disminuye. Por eso es muy importante refrigerar bien los circuitos.
En el diseño térmico, la placa de circuito impreso es el principal portador de calor. El calor en una placa de circuito impreso procede de tres lugares:
- Calor de las piezas electrónicas.
- Calor de la propia placa de circuito impreso.
- Calor que proviene de otras partes del sistema.
Entre estos tres, el calor de las piezas es el más importante. Es la principal fuente de calor. Le sigue el calor producido por la placa de circuito impreso. El calor procedente del exterior depende del diseño térmico de todo el sistema.
En el diseño real de PCB, los ingenieros deben pensar en muchos elementos de refrigeración. Entre ellos, el material de la placa, la elección de las piezas y su disposición. A continuación me centraré en la refrigeración en el Diseño de PCB escenario.
1. Por qué es importante la refrigeración de las placas de circuito impreso
Optimizar la refrigeración en el diseño de placas de circuito impreso es clave para que los dispositivos sean fiables y duraderos. Hay que pensar al mismo tiempo en el diseño, el encaminamiento, el material y la estructura. A continuación se presentan estrategias sistemáticas de refrigeración.
2. Optimización de materiales y apilamiento
Materiales base de alta conductividad térmica
- Utilice FR-4 de alta temperatura con mayor conductividad térmica (por ejemplo ≥ 1,0 W/m-K) o utilice placas de núcleo metálico.
- Los zócalos de aluminio tienen una conductividad térmica de entre 5 y 10 W/m-K.
- Para escenas de alta frecuencia, considera las placas cerámicas. El Al₂O₃ tiene unos 24 W/m-K. El AlN tiene unos 180 W/m-K.
Estrategia de espesor del cobre
- Utilice cobre más grueso para los planos de potencia y tierra. Por ejemplo, utilice 2 oz (unos 70 μm) o más grueso.
- Para trayectos de alta corriente, añada un espesor de cobre local de 3 a 6 oz. Utilice un diseño de cobre escalonado.
3. Consejos de refrigeración
Normas de disposición de las piezas
- Coloque las piezas calientes (MOSFET de potencia, reguladores de tensión, circuitos integrados controladores) repartidas. No deje que el calor se acumule en un solo punto.
- Mantenga las piezas sensibles (cristales, ADC) a una distancia mínima de 5 mm de las fuentes de calor. Si es necesario, añada ranuras de aislamiento térmico.
- Coloque las piezas de alta potencia cerca de los bordes de la placa o cerca de lugares donde se pueda montar un disipador.
Diseño del canal térmico
Un buen ejemplo de trayectoria térmica:
[IC de potencia] → [Conjunto de vías térmicas] → [Plano de cobre interior] → [Almohadilla térmica del borde de la placa].
↘ [Disipador térmico externo]
La trayectoria muestra el calor desde el circuito integrado a las vías, luego al cobre interno y, por último, al borde de la placa o a un disipador térmico externo.
4. Vertido de cobre y mejoras térmicas del cobre
Optimización de la colada de cobre
- Cree áreas de cobre sólido bajo las piezas de potencia. Haga que el área de cobre sea al menos tres veces el área de la pieza.
- Siempre que sea posible, utilice mallas de cobre. La malla reduce el estrés térmico. Enlace la malla con muchas vías.
Estructuras especiales de cobre
- Utilice almohadillas de alivio térmico en los taladros pasantes o almohadillas de llave para evitar juntas de soldadura frías.
- Para regiones de muy alta potencia, utilice la tecnología de incrustación de cobre. Esto coloca un bloque de cobre sólido en la placa.
5. Matriz de vías para la transferencia de calor
Diseño de matrices
- Utilización de matrices de vías bajo fuentes de calor. Tamaño típico del orificio de la vía: 0,3 ± 0,05 mm. Este tamaño equilibra la transferencia de calor y la facilidad de fabricación.
- Paso de la vía: de 1,5 a 2 veces el diámetro de la vía. Las matrices deben tener una escala mínima de 5 × 5.
- Esquema de llenado:
- Coste anterior: utilizar vías rellenas de resina.
- Para obtener la mejor transferencia térmica: utilice vías rellenas con galvanoplastia. Esto puede aumentar la transferencia térmica en más de 40%.
Estrategia de conexión
- Para placas multicapa, haga que las vías atraviesen todos los planos de potencia y tierra.
- Para placas de una cara, añada islas de cobre y grupos de vías en la parte posterior para facilitar la evacuación del calor.
6. Refrigeración externa e integración a nivel de placa
Integración de refrigeración a nivel de placa
- Deje agujeros para el montaje del disipador. Utilice tornillos M3 con una holgura de 1 mm.
- Haga ventanas debajo de las piezas de potencia en la máscara de soldadura (máscara de soldadura ventana definida) para mejorar la interfaz térmica.
Selección del material de interfaz
| Tipo de material | Conductividad térmica (W/m-K) | Caso práctico |
|---|---|---|
| Grasa térmica | 1 - 5 | Rellenar pequeños huecos (< 0,1 mm) |
| Almohadillas térmicas | 3 - 12 | Huecos medianos (0,2 - 1 mm) |
| Material de cambio de fase | 5 - 8 | Relleno automático de superficies irregulares |
| Metal líquido | 15 - 80 | Casos de muy alta densidad de potencia |
Elige el material de la interfaz que mejor se adapte al tamaño del hueco y a la densidad de potencia.
7. Diseño de refrigeración por aire forzado
Disposición para adaptarse al flujo de aire
- Alinee las piezas térmicas en la dirección del flujo de aire. Esto evita que se sobrecalienten las piezas situadas aguas abajo.
- Deje al menos 3 mm de vía de aire libre alrededor de las partes altas.
- Añada conductos a nivel de placa para guiar el flujo de aire y mejorar las vías de refrigeración.
8. Simulación y verificación térmica
Flujo de simulación
Sigue estos pasos:
- Construye un modelo 3D.
- Establezca las condiciones límite térmicas.
- Ejecute el análisis en estado estacionario o transitorio.
- Visualice el campo de temperatura.
- Compruebe si algún punto caliente supera los 85 °C.
- En caso afirmativo, optimiza la distribución y la refrigeración.
- Si la respuesta es no, emite el informe de riesgo térmico.
Herramientas comunes: ANSYS Icepak, FloTHERM XT, Simcenter FLOEFD.
9. Notas sobre el proceso y cuidados de fabricación
Fiabilidad de la soldadura
- Evite colocar vías térmicas directamente en el centro de las almohadillas. En su lugar, utilice patrones de alivio térmico cruzados.
- Para la soldadura por ola, rellene o enmascare las vías térmicas en el lado del componente para evitar que la soldadura fluya a través de ellas.
Control de la tensión térmica
- Utilice materiales de alta Tg (Tg ≥ 170 °C) para cumplir las temperaturas de soldadura por reflujo.
- Las grandes zonas de cobre deben equilibrarse en ambos lados para evitar el alabeo de la placa.
10. Reglas clave de diseño
- Si la densidad de potencia > 0,05 W/cm², debe realizar un diseño térmico especial.
- Mantenga la temperatura de unión de los componentes (T_j) por debajo del límite 80% de la hoja de datos.
- Para chips complejos como CPU y FPGA, utilice un modelo matricial de resistencia térmica:
T_j = T_a + Σ(P_i × θ_ji)
Donde T_j es la temperatura de la unión, T_a es la temperatura ambiente, P_i es la potencia de la fuente i y θ_ji es la resistencia térmica de la fuente i a la unión j. Obtenga θ_ji de la hoja de datos del chip.
11. Refrigeración a través de la propia placa de circuito impreso
Los materiales de base de las placas de circuito impreso más comunes son el tejido de vidrio epoxídico revestido de cobre o el tejido de vidrio fenólico. Hay algunas placas que utilizan placas revestidas de cobre con base de papel. Estos materiales tienen buenas propiedades eléctricas y de procesamiento, pero no conducen bien el calor. En el caso de piezas calientes, no se puede confiar en que la resina de la placa de circuito impreso transporte el calor. El calor debe pasar de la superficie de la pieza al aire.
Hoy en día, la electrónica es más compacta. Las piezas están muy juntas y producen más calor. Una superficie pequeña no basta para refrigerar las piezas. Además, muchas piezas de montaje superficial como QFP y BGA pasar el calor a la placa de circuito impreso. Por tanto, la mejor solución es mejorar la propia capacidad del circuito impreso para evacuar el calor. Deje que el PCB conduzca o emita el calor.
Selección del embalaje de las piezas
- Cuando planifique el diseño térmico, lea los datos del envase y sus especificaciones de conducción térmica.
- Proporcione una buena trayectoria térmica entre el paquete y la placa.
- Evite los espacios de aire en el recorrido térmico. Si existen huecos, rellénelos con materiales térmicos.
12. La idea central: Minimizar la resistencia térmica
El diseño térmico consiste en reducir al máximo la resistencia térmica. Utiliza estas tácticas:
- Menor resistencia a la conducción: cobre más grueso, materiales de base térmica elevada.
- Acorte los trayectos térmicos: utilice vías que vayan directamente a los disipadores o planos de cobre internos.
- Aumentar la superficie: ampliar los vaciados de cobre y añadir aletas.
- Mejorar el intercambio térmico: utilizar aire forzado o refrigeración líquida.
En los diseños reales, hay que equilibrar el coste, el espacio y la fabricabilidad. Pruebe muchas opciones y utilice la simulación para cada una de ellas. En los prototipos, deje varias opciones de refrigeración en la placa. Por ejemplo: agujeros para montar el disipador, puntos de prueba del termopar y un conector para el ventilador. Esto facilita el ajuste.
13. Notas finales
Un buen diseño térmico utiliza tanto reglas de disposición como opciones de placa. Utilice una colocación cuidadosa de las piezas, cobre ancho, matrices de vías y buenos materiales de interfaz. Realice pruebas con simulaciones térmicas y prototipos reales. Mantenga las temperaturas de unión de las piezas por debajo de los límites de la hoja de datos. Planifique los puntos de servicio y prueba. Así se reduce el riesgo y se mantiene la seguridad y fiabilidad del producto.
