Toda la industria de la electrónica de potencia, incluidas las aplicaciones de RF y los sistemas que involucran señales de alta velocidad, se está moviendo hacia soluciones que brindan una funcionalidad cada vez más compleja en espacios cada vez más pequeños. Los diseñadores se enfrentan a desafíos cada vez más exigentes para cumplir con los requisitos de tamaño, peso y potencia del sistema, incluida la gestión térmica eficaz, que a su vez comienza con el diseño de la placa de circuito impreso.
Los dispositivos de potencia activa altamente integrados (p. ej., los transistores MOSFET) emiten grandes cantidades de calor, lo que requiere PCB que puedan transferir calor desde los componentes más calientes a la tierra o la superficie del disipador de calor para operar de la manera más eficiente posible. El estrés térmico es una de las principales causas de fallas en los dispositivos de alimentación, ya que puede causar una degradación del rendimiento e incluso provocar una falla o un mal funcionamiento del sistema. El rápido crecimiento de la densidad de potencia del dispositivo y el aumento de la frecuencia son las principales causas del sobrecalentamiento de los componentes electrónicos. Si bien los semiconductores con menor pérdida de potencia y mejor conductividad térmica, como los materiales de banda ancha, se utilizan cada vez más, no son suficientes por sí solos para eliminar la necesidad de una gestión térmica eficaz.
Los dispositivos de potencia actuales basados en silicio se pueden lograr a temperaturas de unión entre aproximadamente 125 y 200 grados. Sin embargo, es deseable permitir siempre que el dispositivo funcione sin exceder esta condición límite, evitando así un envejecimiento rápido del dispositivo y acortando su vida útil restante. De hecho, se estima que si una gestión térmica inadecuada conduce a un aumento de 20 grados en la temperatura de funcionamiento, la reducción resultante en la vida útil restante del componente será de hasta un 50 por ciento.
Metodología de diseño de cableado (diseño)
Un método común de gestión térmica utilizado en muchos proyectos es el uso de un sustrato retardante de llama estándar de clase 4 (FR-4), que es un material económico y fácil de procesar que se centra en la optimización térmica del diseño del circuito.
Las principales medidas utilizadas consisten en proporcionar superficies de cobre adicionales, usar alineaciones más gruesas e insertar disipadores de calor debajo de los componentes que generan más calor. Una técnica más radical para disipar más calor consiste en insertar o aplicar un bloque de cobre real en la PCB o en la capa más externa, que suele tener forma de moneda, de ahí el nombre de "moneda de cobre". Después de procesar la moneda de cobre por separado, se puede soldar o unir directamente a la PCB, o se puede insertar en la capa interna y conectar a la capa externa a través del disipador de calor. El PCB que se muestra en la Figura 1 está hecho en una cavidad especial para acomodar una moneda de cobre.
El cobre tiene una 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 económico que se ha utilizado ampliamente en la fabricación de PCB; por lo tanto, es ideal para fabricar monedas de cobre, orificios para disipadores de calor y capas de suelo, todas soluciones que mejoran la disipación del calor.
La colocación correcta de los dispositivos activos en la placa es un factor clave para evitar la formación de puntos calientes, lo que garantiza que el calor se distribuya de la manera más uniforme posible en toda la placa. En este sentido, los dispositivos activos deben distribuirse alrededor de la PCB sin ningún orden en particular, evitando así la formación de puntos calientes en áreas específicas. Sin embargo, es mejor evitar colocar dispositivos activos que generen mucho calor cerca del borde del tablero. En su lugar, deben colocarse lo más cerca posible del centro del tablero, facilitando así una distribución uniforme del calor. Si se instalan dispositivos de alta potencia cerca del borde del tablero, acumularán calor en el borde, aumentando así la temperatura local. Por el contrario, si se colocan cerca del centro de la tabla, el calor se distribuirá en todas las direcciones a lo largo de la superficie, facilitando la reducción de la temperatura y facilitando la distribución del calor. Los dispositivos de alimentación no deben colocarse cerca de componentes sensibles y deben estar debidamente separados entre sí.
Las medidas tomadas a nivel de diseño se pueden mejorar aún más mediante el uso de sistemas de enfriamiento activo y pasivo (como disipadores de calor o ventiladores); estos sistemas pueden eliminar el calor de los dispositivos activos, en lugar de emitirlo directamente a la placa. En general, los diseñadores deben encontrar el compromiso adecuado entre las diferentes estrategias de gestión térmica, según los requisitos de la aplicación particular y el presupuesto disponible.
Selección de sustrato de PCB
FR{{0}} normalmente no es adecuado para aplicaciones que requieren la disipación de grandes cantidades de calor debido a su baja conductividad térmica (entre 0.2 y 0.5 W/mK). El calor generado en los circuitos de alta potencia puede ser considerable y estos sistemas a menudo funcionan en entornos hostiles y temperaturas extremas. El uso de un material de sustrato alternativo con mayor conductividad térmica puede ser una mejor opción que el uso de FR-4 tradicional.
Los materiales cerámicos, por ejemplo, ofrecen ventajas significativas para la gestión térmica de PCB de alta potencia. Dichos materiales, además de mejorar la conductividad térmica, también tienen excelentes propiedades mecánicas y, por lo tanto, ayudan a compensar las tensiones acumuladas durante ciclos térmicos repetidos. Además, los materiales cerámicos tienen una baja pérdida dieléctrica a frecuencias de hasta 10 GHz. Para frecuencias más altas, siempre es posible elegir materiales híbridos (por ejemplo, PTFE), que proporcionan las mismas bajas pérdidas pero con una reducción moderada de la conductividad térmica.
Cuanto mayor sea la conductividad térmica del material, más rápida será la transferencia de calor. Por lo tanto, además de ser más livianos que la cerámica, los metales como el aluminio ofrecen una excelente solución para transferir el calor de los componentes. El aluminio en particular también es un excelente conductor, tiene una excelente durabilidad, es reciclable y no es tóxico. Debido a su alta conductividad térmica, la capa de metal ayuda a transferir el calor rápidamente por todo el tablero. Algunos fabricantes también ofrecen PCB revestidas de metal en las que ambas capas exteriores están revestidas de metal, generalmente de aluminio o cobre galvanizado. El aluminio es la mejor opción desde la perspectiva del costo por peso, mientras que el cobre tiene una conductividad térmica más alta. El aluminio también se usa ampliamente para fabricar PCB que admitan LED de alta potencia (como se muestra en el ejemplo de la Figura 2), donde su capacidad para reflejar la luz fuera del sustrato también es particularmente útil.
Incluso la plata, debido a su conductividad térmica de aproximadamente un 5 por ciento más que el cobre, también se puede utilizar para crear alineaciones, vías, almohadillas y capas de metal. Además, si la placa se usa en un ambiente húmedo donde existen gases tóxicos, el uso de acabados plateados en alineaciones de cobre desnudo y almohadillas de soldadura de cobre ayudará a prevenir la corrosión, una amenaza típica conocida en tales ambientes.
Los PCB metálicos, también conocidos como sustratos metálicos aislados (IMS), se pueden laminar directamente en el PCB para formar placas con sustratos FR-4 y núcleos metálicos. Se utilizan tecnologías de capa simple y doble, con cableado controlado en profundidad, por lo que el calor puede transferirse desde los componentes integrados a áreas menos críticas. En los PCB IMS, se lamina una capa delgada de dieléctrico térmicamente conductor pero eléctricamente aislante entre un sustrato de metal y una lámina de cobre. La lámina de cobre se graba en el patrón de circuito deseado y el sustrato de metal absorbe el calor del circuito a través de este dieléctrico delgado.
Las principales ventajas que ofrecen los PCB de IMS son las siguientes.
-Disipación de calor significativamente mayor que las estructuras FR-4 estándar.
-La conductividad térmica del dieléctrico es típicamente de 5 a 10 veces mayor que la del vidrio epoxi ordinario.
-La eficiencia de la transferencia de calor es mucho mayor que la de los PCB convencionales.
Además de la tecnología LED (señales luminosas, pantallas e iluminación), los PCB IMS se utilizan ampliamente en la industria automotriz (faros, controles de motor y dirección asistida), electrónica de potencia (fuentes de alimentación de CC, inversores y controles de motor), interruptores y relés semiconductores. .