Diseño de PCB de alta potencia para entornos de alta temperatura

Como plataforma de integración de componentes más común, los PCB multicapa conectan circuitos y componentes. Con los productos electrónicos volviéndose más ligeros, delgados y pequeños, y de alto rendimiento, los componentes IC se han vuelto altamente integrados, lo que conduce a una alta densidad de PCB. Como resultado, la producción de calor ha aumentado notablemente y la densidad térmica de los PCB ha subido, especialmente por el uso masivo de componentes IC de alta frecuencia como A/D o D/A y el aumento de la frecuencia de circuito. Si la pérdida térmica masiva no se evacúa, la fiabilidad del equipo electrónico se verá muy afectada. Según estadísticas, entre los factores que provocan fallos en equipos electrónicos, la temperatura representa el 55 %, como causa principal. Con el aumento de temperatura, la tasa de fallo de los componentes electrónicos aumenta exponencialmente. Un incremento de 10 °C en la temperatura ambiente puede duplicar la tasa de fallo de algunos componentes. Para productos aeroespaciales, este tipo de control térmico no puede ignorarse, ya que un diseño inadecuado para todo tipo de circuitos en entornos especiales puede provocar el fallo completo del sistema. Por tanto, se debe prestar mucha atención al diseño térmico durante el diseño de PCB.

El análisis debe comenzar con el análisis de causas. La causa directa de la alta temperatura en los PCB radica en la existencia de componentes de consumo de potencia. Cada componente tiene un consumo de potencia diferente que origina cambios en la intensidad térmica. Existen dos tipos de fenómenos de aumento de temperatura: aumento localizado o en área extensa, y aumento a corto o largo plazo. La transferencia de calor tiene tres vías: conducción, convección y radiación. La radiación disipa calor mediante ondas electromagnéticas que atraviesan el espacio. Dado que la disipación por radiación tiene una cantidad de calor relativamente baja, suele considerarse un método auxiliar. Este artículo presentará una solución para la disipación de calor en PCB durante operación prolongada en entorno de alta temperatura, basada en conducción térmica y tecnología de almacenamiento térmico transitorio de disipador, tomando como ejemplo un PCB de servo.

En este PCB de servo hay 2 chips amplificadores de potencia de 2 W, 2 chips de conversión R/D, 2 chips CPU, 1 chip EPLD y 1 chip de conversión A/D. La potencia total del PCB de servo es 9 W. El PCB se instala en un entorno hermético con convección de aire limitada. Además, por limitación de espacio, no se puede instalar una placa fría en el PCB. Para garantizar el funcionamiento normal, solo se puede utilizar conducción térmica y tecnología de almacenamiento térmico transitorio de disipador para transferir el calor del PCB al chasis.

Es un método común disipar calor mediante PCB de núcleo metálico. Primero, se inserta una placa metálica con excelente conducción entre un PCB multicapa. Luego, el calor se disipa directamente desde la placa metálica o se conecta equipo disyuntivo a la placa para disipar calor. La estructura de funcionamiento se muestra en la Figura 1.

El material principal del PCB de núcleo metálico incluye aluminio, cobre y acero. También puede usarse como capa de tierra. Las capas superior e inferior del PCB de núcleo metálico pueden interconectarse mediante vias metalizadas y el calor puede transferirse en la capa interna y la superficie. Los elementos calefactores pueden soldarse directamente en la placa a través del fondo y los vias térmicos. Así, el calor generado se transfiere directamente al núcleo metálico que lo transmite al chasis tangente mediante vias de conducción y lo evacúa. Los PCB con esta estructura tienen amplias aplicaciones pero también plantean problemas. Los PCB de núcleo metálico son tan gruesos que tienden a deformarse por disipación desigual, causando mal contacto entre chips y pines. Disipan calor rápida y fácilmente, lo que dificulta enormemente el cambio de chips; durante el cambio, la atracción térmica local del núcleo metálico causa deformación grave. Se verifica que cuanto mayor es el área del PCB, más fácilmente se deforma.

Para resolver estos problemas, se debe mejorar el diseño de los PCB de núcleo metálico:

a. Se pueden insertar 4 capas de lámina de cobre de 0,15 mm en los PCB para aumentar el espesor en 3 mm, asegurando que no se deformen fácilmente y aumentando la fiabilidad de los vias.

b. En chips con generación de calor de 2 W, se puede añadir un pad SMT en la parte inferior para transferir calor a la capa metálica del PCB.

c. El fondo del chip puede transferir calor a la capa interna de lámina de cobre mediante lámina de cobre de gran área y via de conducción.

d. La capa aislante en ambos lados del PCB puede fresarse para lograr la metalización del borde. La disipación se logra por contacto entre el borde desnudo y la base. La instalación se completa con 36 tornillos para aumentar la conducción entre PCB y chasis.

Tras implementar estas medidas, el diseño mejorado se muestra en la Figura 2.

Para modelado y análisis de simulación del PCB de servo, se usa el software FLoTHERM para situaciones térmicas de equipos electrónicos. La condición de contorno: ambiente a 65 °C con tiempo de operación de 90 minutos. Todos los componentes cumplen el requisito de derating X. La temperatura máxima permitida de cada componente se muestra en la tabla:

Componentes	Consumo/W	Temp. máx. derating X/°C	Temp. máx. cuerpo derating X/°C
Chip CPU	0,6	100	87
Chip R/D	0,5	100	87
Chip EPLD	0,5	100	85
Chip amplificador potencia	2,0	100	87

Los componentes principales de potencia incluyen 2 chips (49,76 mm × 41,4 mm) de 2 W cada uno. El consumo de los demás es 5 W en total; el PCB completo consume 9 W, la unidad de accionamiento 10 W, la fuente 40 W, y el total del servo y fuente es 59 W.

La temperatura del chip de control se muestra en la Figura 3.

El análisis térmico de 90 minutos a 65 °C muestra: en 30 minutos continuos, la temperatura del chip sube rápido, superando 72 °C; en 50 minutos, se estabiliza gradualmente; en 90 minutos, la temperatura de cuerpo del chip de 2 W (límite 87 °C) es 77,9 °C; del chip de 0,6 W (87 °C) es 84 °C; del chip de 0,5 W (87 °C) es 78,2 °C; del chip de 0,5 W (85 °C) es 77 °C.

Según el cálculo y simulación, la temperatura del chip de control permanece en rango razonable. En el análisis teórico no hay espacio entre chips y PCB por defecto, pero en la instalación real puede haber espacio y se puede usar gel de sílice para rellenarlo y asegurar la disipación.

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