Diseño térmico PCB experto: Consejos prácticos para gestión del calor

Con componentes de potencia en encapsulados montaje superficial cada vez más pequeños, es importante idear enfoque coherente para mitigar demandas disipación térmica en diseño PCB. Aunque desarrollo de análisis matemático exacto de características térmicas de diseño PCB puede ser complejo, es posible aplicar reglas simples para mejorar conducción térmica. Finalmente, controlar adecuadamente disipación calor permite producir diseño PCB más fiable y económico. Lo que sigue: breve discusión modelo estándar disipación térmica y reglas generales para tratar disipación en diseños.

Primero, definir terminología usada. Siguiente figura presenta componentes de un power IC a considerar en gestión térmica. Discutiremos temperatura Junction (unión), Top (tapa) y Case (carcasa) y sus resistencias térmicas al ambiente.

Con estos términos, veremos modelo estándar simulación disipación térmica componente. Resistencia térmica modelada como red resistencias. Modelo estándar componente en figura siguiente:

En figura: T_J = temperatura unión (parte interna trabajo); T_T = temperatura "top" paquete (típicamente carcasa plástica); T_C = temperatura "case" (pads altamente conductivos y PCB adjunta); T_A = temperatura ambiente. Objetivo: producir menor resistencia térmica posible entre unión y ambiente. Excepto θ_CA, resistencias térmicas (θ_JT, θ_TA, θ_JC) definidas por propiedades componente y obtenibles de datasheet. Como diseñadores PCB, influimos principalmente en θ_CA, dependiente de nuestro diseño. Reto principal: reducir resistencia térmica case-ambiente (θ_CA) reduciendo esta resistencia. Qué tan bien logremos bajar θ_CA definirá diferencial temperatura (o falta) entre ambiente y unión.

Otro camino conducción térmica: carcasa plástica ("top") del componente. Como empaque plástico mayoría componentes potencia no da buen camino térmico a ambiente, eficiencia disipación depende más de capacidad diseño disipar energía térmica a entorno a través de case. Excepción: cuando power IC diseñado con pad térmico en top. Entonces, IC diseñado para disipador conectado directamente a top y disipación a través de "top" se vuelve factor mucho más importante.

Enfoque estándar traducir calor lejos de componentes potencia: conectar térmicamente a planos cobre adyacentes vía vias térmicas. Típicamente: colocar varias vias en footprint power IC. Vias proveen conexión térmica a capas cobre bajo IC, que conducen calor lejos del componente.

Además, más planos cobre potencia conectados a power IC por vias térmicas, mayor eficiencia disipación PCB. Ej.: diseño 4 capas vs 2 capas puede aumentar capacidad disipación hasta 30 % comparando misma área.

Reglas diseño siguientes como buen punto partida para consideraciones térmicas:

1. Regla general: Para disipar 1 W, placa necesita área 15,3 cm² (2,4 in²) por vatio para subida 40 °C. Con flujo aire, requisito se reduce a la mitad (7,7 cm² / 1,2 in² por vatio). Asume componente acoplado térmicamente a plano cobre que llega a bordes y placa posicionada para flujo aire libre ambos lados. Si requisitos densidad potencia demasiado restrictivos, disipador externo necesario. Subida 40 °C buen punto partida control temperatura placa.
2. Cuando hay más de un componente potencia en placa, colocar para calentar uniformemente PCB. Grandes diferencias temperatura a lo largo PCB no permiten traducir óptimamente energía térmica. Si disponible, imagen térmica permite inspección empírica colocación componentes tras revisión diseño.
3. Más vias bajo componente, mejor traducción energía térmica a plano cobre conectado. Array vias para aumentar número en contacto con pads potencia (pads grandes conductivos del encapsulado).
4. Diseños que disipan mayor vataje: necesitar pesos cobre mayores. 1 oz cobre punto partida recomendado para diseños potencia.
5. Al usar copper pour disipar energía térmica lejos de componente, importante que pour no sea interrumpido por pistas perpendiculares a camino térmico desde componente potencia.
6. Si disipador necesario para mantener temperatura en tolerancia: más efectivo si conectado térmicamente a case del componente. Típicamente: colocar disipador lado opuesto placa de componente SMD. Aunque tentador colocar disipador directamente sobre top, resistencia térmica carcasa plástica lo vuelve inefectivo. Excepciones: paquetes diseñados explícitamente para disipadores en "top".

En resumen, rendimiento térmico es muy importante al trabajar con componentes potencia. Usar reglas diseño presentadas temprano en proceso diseño PCB permite buen inicio control temperatura y evitar rediseños drásticos después.

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