Gestión efectiva del calor en PCB: técnicas para un rendimiento térmico óptimo

Los circuitos impresos (PCB) generan calor mientras operan. Para prevenir daños por calor, necesita las técnicas adecuadas de flujo de calor para asegurar que esta energía se disipe.

Conceptos básicos de transferencia de calor

A un nivel básico, una discusión sobre transferencia de calor incluye dos temas: temperatura y flujo de calor. La temperatura representa el nivel de energía térmica disponible, mientras que el flujo de calor representa la energía térmica que se mueve de un lugar a otro.

Microscópicamente, la energía térmica está directamente relacionada con la energía cinética de una molécula. Cuanto mayor sea la temperatura de un material, mayor será la agitación térmica de sus moléculas. Es normal que las áreas que contienen mucha energía cinética la pasen a áreas con menos energía cinética.

Hay algunas propiedades de materiales que modulan efectivamente el calor transferido entre dos áreas a diferentes temperaturas. Estas incluyen conductividades térmicas, densidades de materiales, velocidades de fluidos y viscosidades de fluidos. Juntas, estas propiedades hacen que resolver muchos problemas de transferencia de calor sea bastante complicado.

Mecanismos de transferencia de calor

Los mecanismos de transferencia de calor se pueden agrupar en tres categorías amplias:

Conducción. Las áreas que tienen más energía cinética molecular enviarán su energía térmica a áreas que tienen menos energía molecular. Esto ocurre a través de una colisión directa de moléculas, conocida como conducción. En metales, parte de la energía transportada de un área a otra también es llevada por electrones de la banda de conducción.

Convección. Cuando se genera calor en un dispositivo electrónico, se transporta vía conducción a un área donde luego se transfiere a un fluido. Ese proceso es convección, y el fluido puede tomar la forma de un gas como aire o agua convencional.

Radiación. Todos los materiales emiten energía térmica en cantidades determinadas por la temperatura. Cuando las temperaturas son uniformes, el flujo de radiación está en equilibrio entre objetos, y no hay intercambio de energía térmica. Este equilibrio cambia cuando las temperaturas varían y la energía térmica se transporta de áreas de temperaturas más altas a las de temperaturas más bajas.

Técnicas de diseño de PCB para transferencia de calor

Cuando se trata de gestión de calor en PCB, puede usar algunas técnicas. Sus opciones incluyen:

• Disipadores de calor (Heat sinks). Esta técnica usa piezas metálicas grandes con alta conductividad. Estas piezas se adjuntan a partes que producen calor y exponen más superficie al aire. Esta configuración reduce la resistencia térmica, y con un ventilador de enfriamiento, mejora aún más el flujo de calor.
• Vertido de cobre (Copper pours). Cuando llena áreas no utilizadas con metal y pone a tierra el metal, cualquier componente en el PCB se conectará a tierra con facilidad.
• Vías térmicas (Thermal vias). A menudo usadas con vertido de cobre, las vías térmicas crean un camino hacia el cobre y los componentes del PCB.
• Vías rellenas de cobre (Copper Filled vias). Las vías pueden rellenarse con cobre para mejorar la transferencia de calor.
• Materiales de mayor conductividad térmica. Materiales como Aluminio; Cerámicas; y Núcleo de cobre se usan para mejorar la conductividad térmica del PCB.

Cuando fomenta un flujo de calor constante en su PCB, puede esperar un rendimiento eléctrico eficiente y una vida útil larga.

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