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 cada momento. -espacios más pequeños. Los diseñadores enfrentan desafíos cada vez más exigentes para cumplir con los requisitos de tamaño, peso y energía 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 desde los componentes más calientes a los planos de tierra o superficies de disipación de calor, funcionando de la manera más eficiente y efectiva posible. El estrés térmico es una de las principales causas del mal funcionamiento de los dispositivos de potencia, ya que provoca una degradación del rendimiento o incluso un posible mal funcionamiento o fallo 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 extendido de semiconductores con pérdidas de potencia reducidas y mejor conductividad térmica, como materiales de banda prohibida ancha, no es por sí solo suficiente para eliminar la necesidad de una gestión térmica eficaz.
Los dispositivos de energía 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 conduciría a una rápida degradación del mismo y a 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 útil residual de los componentes hasta en un 50 por ciento.
Enfoque de diseño:
Un enfoque de gestión térmica que se sigue habitualmente en muchos proyectos es utilizar sustratos con retardante de llama estándar de nivel 4 (FR-4), un material económico y fácilmente trabajable, centrándose 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 "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 conectarse a las capas externas mediante 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 utiliza 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.
La correcta colocación de los componentes activos en la placa es un factor crucial para prevenir la formación de puntos calientes, asegurando así que el calor se distribuya lo más uniformemente posible por toda la placa. En este sentido, los componentes activos deben distribuirse sin ningún orden particular alrededor de la 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 del tablero. Por el contrario, conviene colocarlos 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 del tablero, acumulará calor en el borde, aumentando la temperatura local. Si por el contrario se coloca cerca del centro del tablero, el calor se disipará en la superficie en todas direcciones, reduciendo la temperatura y disipando el calor con mayor facilidad. Los dispositivos eléctricos no deben colocarse cerca de componentes sensibles y deben estar adecuadamente espaciados 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 es necesario 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 importantes ventajas para la gestión térmica de placas de circuito impreso de alta potencia. Además de una conductividad térmica mejorada, estos materiales ofrecen excelentes propiedades mecánicas que ayudan a compensar la tensión acumulada durante los ciclos térmicos repetidos. Además, los materiales cerámicos tienen menores pérdidas dieléctricas operando 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 metales como el aluminio, además de ser más ligeros que la cerámica, ofrecen una excelente solución para transferir calor lejos 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 metálicas ayudan a transferir rápidamente el calor por todo el tablero. Algunos fabricantes también ofrecen PCB revestidos de metal, en los que ambas capas exteriores están revestidas de metal, generalmente 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 (se muestra un ejemplo en la Figura 2), en las que también es particularmente útil por su capacidad de 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 capa única y doble con enrutamiento de control de profundidad. que sirve para transferir calor lejos de los componentes a bordo y hacia áreas menos críticas. En los PCB IMS, se lamina una fina capa de dieléctrico térmicamente conductor pero eléctricamente aislante entre una base metálica y una lámina de cobre. La lámina de cobre se graba en el patrón de circuito deseado y la base metálica absorbe el calor de este circuito a través del delgado dieléctrico.
Las principales ventajas que ofrecen los PCB IMS son las siguientes:
1. La disipación de calor es significativamente mayor que la de las construcciones FR-4 estándar.
2. Los dieléctricos suelen ser de 5 a 10 veces más conductores térmicos que el vidrio epoxi normal.
3. La transferencia térmica es exponencialmente más eficiente que en una PCB convencional.
4. Además de la tecnología LED (rótulos luminosos, pantallas e iluminación), las placas de circuito IMS se utilizan ampliamente en la industria automotriz (faros, control de motores y dirección asistida), en electrónica de potencia (fuente de alimentación de CC, inversores y control de motores). , en interruptores y en relés semiconductores.
