Un enfoque para la gestión térmica de PCB de alta potencia

   Los diseñadores enfrentan problemas complejos para cumplir con los requisitos de energía, que incluyen una gestión térmica efectiva, comenzando con el diseño de PCB.

     Todo el sector de la electrónica de potencia, incluidas las aplicaciones y sistemas de RF que involucran señales de alta velocidad, está evolucionando hacia soluciones que ofrecen funcionalidades cada vez más complejas en espacios cada vez más pequeños. Los diseñadores enfrentan desafíos cada vez más exigentes para cumplir con los requisitos de tamaño, peso y potencia del sistema, que incluyen una gestión térmica eficaz, comenzando con el diseño de la placa de circuito impreso.

  Los dispositivos de potencia activa de alta densidad de integración, como los transistores MOSFET, pueden disipar una cantidad significativa de calor y, por lo tanto, requieren PCB que puedan transferir calor de los componentes más calientes a planos de tierra o superficies disipadoras de calor, operando de la manera más eficiente y eficaz posible. El estrés térmico es una de las principales causas del mal funcionamiento de los dispositivos de potencia, ya que conduce a una degradación del rendimiento o incluso a un posible mal funcionamiento o falla del sistema. El rápido crecimiento de la densidad de potencia de los dispositivos y el aumento constante de las frecuencias son las principales razones que provocan un calentamiento excesivo de los componentes electrónicos. El uso cada vez más generalizado de semiconductores con pérdidas de energía reducidas y mejor conductividad térmica, como los materiales de banda prohibida ancha, no es suficiente en sí mismo para eliminar la necesidad de una gestión térmica eficaz.

    Los dispositivos de potencia actuales basados ​​en silicio alcanzan una temperatura de unión entre aproximadamente 125˚C y 200˚C. Sin embargo, siempre es preferible hacer funcionar el dispositivo por debajo de este límite, ya que esto provocaría una rápida degradación del mismo y una reducción de su vida residual. De hecho, se ha estimado que un aumento de 20˚C en la temperatura de funcionamiento, provocado por una gestión térmica inadecuada, puede reducir la vida residual de los componentes hasta en un 50 por ciento.

Enfoque de diseño:

  Un enfoque para la gestión térmica seguido comúnmente en muchos proyectos es usar sustratos con retardante de llama nivel 4 (FR-4) estándar, un material económico y fácil de trabajar, que se centra en la optimización térmica del diseño del circuito.

Las principales medidas adoptadas se refieren a la provisión de superficies de cobre adicionales, el uso de pistas de mayor espesor y la inserción de vías térmicas debajo de los componentes que generan la mayor cantidad de calor. Una técnica más agresiva, capaz de disipar una mayor cantidad de calor, consiste en insertar en la PCB o aplicar en las capas más externas bloques de cobre reales, normalmente en forma de moneda (de ahí el nombre de "monedas de cobre"). Las monedas de cobre se procesan por separado y luego se sueldan o se unen directamente a la PCB, o se pueden insertar en las capas internas y conectarlas a las capas externas a través de vías térmicas. La figura 1 muestra una PCB en la que se ha realizado una cavidad especial para alojar una moneda de cobre.

  El cobre tiene un coeficiente de conductividad térmica de 380 W/mK, en comparación con los 225 W/mK del aluminio y los 0,3 W/mK del FR-4. El cobre es un metal relativamente barato y ya se usa ampliamente en la fabricación de PCB; por lo tanto, es la opción ideal para fabricar monedas de cobre, vías térmicas y planos de tierra, todas soluciones capaces de mejorar la disipación del calor.

   El posicionamiento adecuado de los componentes activos en la placa es un factor crucial para evitar la formación de puntos calientes, asegurando así que el calor se distribuya lo más uniformemente posible a lo largo de toda la placa. En este sentido, los componentes activos deben distribuirse sin ningún orden en particular alrededor del PCB para evitar la formación de puntos calientes en un área específica. Sin embargo, es mejor evitar colocar componentes activos que generen una cantidad significativa de calor cerca de los bordes de la placa. Por el contrario, deben colocarse lo más cerca posible del centro del tablero, favoreciendo una distribución uniforme del calor. Si se monta un dispositivo de alta potencia cerca del borde de la placa, acumulará calor en el borde, aumentando la temperatura local. Si, por el contrario, se coloca cerca del centro de la tabla, el calor se disipará en la superficie en todas las direcciones, reduciendo la temperatura y disipando el calor con mayor facilidad. Los dispositivos de alimentación no deben colocarse cerca de componentes sensibles y deben estar debidamente separados entre sí.

Selección de sustrato de PCB:

Debido a su baja conductividad térmica (entre {{0}},2 y 0,5 W/mK), FR-4 generalmente no es adecuado para aplicaciones en las que se necesita disipar una gran cantidad de calor. El calor que se puede acumular en los circuitos de alta potencia es considerable, agravado por el hecho de que estos sistemas suelen funcionar en entornos hostiles y temperaturas extremas. Usar un material de sustrato alternativo con mayor conductividad térmica puede ser una mejor opción que usar el FR-4 tradicional.

    Los materiales cerámicos, por ejemplo, ofrecen ventajas significativas para la gestión térmica de PCB de alta potencia. Además de una conductividad térmica mejorada, estos materiales ofrecen excelentes propiedades mecánicas que ayudan a compensar la tensión acumulada durante ciclos térmicos repetidos. Además, los materiales cerámicos tienen menores pérdidas dieléctricas al operar a frecuencias de hasta 10 GHz. Para frecuencias más altas, siempre es posible optar por materiales híbridos (como el PTFE), que ofrecen pérdidas igualmente bajas con una modesta reducción de la conductividad térmica.

Cuanto mayor sea la conductividad térmica de un material, más rápida será la transferencia de calor. De ello se deduce que los metales como el aluminio, además de ser más ligeros que la cerámica, ofrecen una excelente solución para transferir el calor de los componentes. El aluminio en particular es un excelente conductor, tiene una excelente durabilidad, es reciclable y no es tóxico. Gracias a su alta conductividad térmica, las capas de metal ayudan a transferir rápidamente el calor por todo el tablero. Algunos fabricantes también ofrecen PCB revestidas de metal, en las que ambas capas exteriores están revestidas de metal, normalmente de aluminio o cobre galvanizado. Desde el punto de vista del costo por unidad de peso, el aluminio es la mejor opción, mientras que el cobre ofrece una mayor conductividad térmica. El aluminio se usa ampliamente para la construcción de PCB que admiten LED de alta potencia (en la Figura 2 se muestra un ejemplo), en el que también es particularmente útil por su capacidad para reflejar la luz lejos del sustrato.

   Los PCB metálicos, también conocidos como sustratos metálicos aislantes (IMS), se pueden laminar directamente en el PCB, lo que da como resultado una placa con sustratos FR-4 y núcleo metálico con tecnología de una y dos capas con enrutamiento de control de profundidad, que sirve para transferir el calor lejos de los componentes a bordo y hacia áreas menos críticas. En los PCB IMS, se lamina una capa delgada de dieléctrico térmicamente conductor pero eléctricamente aislante entre una base de metal y una lámina de cobre. La lámina de cobre se graba en el patrón de circuito deseado y la base de metal absorbe el calor de este circuito a través del dieléctrico delgado.

Las principales ventajas que ofrecen los PCB IMS son las siguientes:

1. La disipación de calor es significativamente mayor que la del estándar FR-4 coinstrucciones

2. Los dieléctricos suelen ser de 5 a 10 veces más conductores térmicos que el vidrio epóxico normal.

3. La transferencia térmica es exponencialmente más eficiente que en una PCB convencional.

4. Además de la tecnología LED (señales luminosas, pantallas e iluminación), las placas de circuito IMS se utilizan ampliamente en la industria automotriz (faros, control del motor y dirección asistida), en la electrónica de potencia (fuente de alimentación de CC, inversores y control del motor) , en interruptores y en relés semiconductores.