Tota la indústria electrònica de potència, incloses les aplicacions de RF i els sistemes que impliquen senyals d'alta velocitat, s'està avançant cap a solucions que proporcionen una funcionalitat cada cop més complexa en espais cada cop més petits. Els dissenyadors s'enfronten a reptes cada cop més exigents per complir els requisits de mida, pes i potència del sistema, inclosa la gestió tèrmica eficaç, que al seu torn comença amb el disseny de la PCB.
Els dispositius de potència activa altament integrats (per exemple, els transistors MOSFET) emeten grans quantitats de calor, que requereixen PCB que puguin transferir calor des dels components més calents al terra o a la superfície del dissipador de calor per funcionar de la manera més eficient possible. L'estrès tèrmic és una de les principals causes de fallada del dispositiu d'alimentació, ja que pot provocar una degradació del rendiment i fins i tot pot provocar una fallada o un mal funcionament del sistema. El ràpid creixement de la densitat de potència del dispositiu i l'augment de la freqüència són les principals causes del sobreescalfament dels components electrònics. Si bé els semiconductors amb menor pèrdua de potència i una millor conductivitat tèrmica, com els materials de banda ampla, s'utilitzen cada cop més àmpliament, no són suficients per si mateixos per eliminar la necessitat d'una gestió tèrmica eficaç.
Els dispositius d'alimentació actuals basats en silici es poden aconseguir a temperatures d'unió entre uns 125 i 200 graus. No obstant això, és desitjable permetre sempre que el dispositiu funcioni sense superar aquesta condició limitadora, evitant així un ràpid envelliment del dispositiu i escurçant-ne la vida útil. De fet, s'estima que si la gestió tèrmica inadequada comporta un augment de 20 graus de temperatura de funcionament, la reducció resultant de la vida útil restant del component serà de fins al 50 per cent.
Layout Cablejat (disposició) Metodologia
Un mètode de gestió tèrmica comú utilitzat en molts projectes és l'ús d'un substrat ignífug estàndard de classe 4 (FR-4), que és un material econòmic i fàcil de processar que se centra en l'optimització tèrmica de la disposició del circuit.
Les principals mesures utilitzades consisteixen en proporcionar superfícies addicionals de coure, utilitzar alineacions més gruixudes i inserir dissipadors de calor sota els components que generen més calor. Una tècnica més radical per dissipar més calor consisteix a inserir o aplicar un bloc de coure real al PCB o a la capa més externa, que sol tenir forma de moneda, d'aquí el nom de "moneda de coure". Després de processar la moneda de coure per separat, es pot soldar o connectar-se directament al PCB, o es pot inserir a la capa interior i connectar-se a la capa exterior mitjançant el dissipador de calor. El PCB que es mostra a la figura 1 es fa en una cavitat especial per allotjar una moneda de coure.
El coure té una conductivitat tèrmica de 380 W/mK, en comparació amb 225 W/mK per a l'alumini i 0,3 W/mK per FR-4. El coure és un metall relativament econòmic que s'ha utilitzat àmpliament en la fabricació de PCB; per tant, és ideal per fer monedes de coure, forats de dissipador de calor i capes de terra, totes solucions que milloren la dissipació de la calor.
La col·locació correcta dels dispositius actius al tauler és un factor clau per evitar que es formin punts calents, garantint així que la calor es distribueixi de la manera més uniforme possible per tot el tauler. En aquest sentit, els dispositius actius s'han de distribuir al voltant del PCB sense cap ordre particular, evitant així la formació de punts calents en zones específiques. No obstant això, el millor és evitar col·locar dispositius actius que generen molta calor prop de la vora del tauler. En canvi, s'han de col·locar el més a prop possible del centre del tauler, facilitant així una distribució uniforme de la calor. Si s'instal·len dispositius d'alta potència prop de la vora del tauler, acumularan calor a la vora, augmentant així la temperatura local. En canvi, si es col·loquen prop del centre del tauler, la calor es distribuirà en totes direccions per la superfície, facilitant la reducció de la temperatura i facilitant la distribució de la calor. Els dispositius d'alimentació no s'han de col·locar a prop de components sensibles i s'han de separar correctament els uns dels altres.
Les mesures preses a nivell de disseny es poden millorar encara més utilitzant sistemes de refrigeració actiu i passiu (com ara dissipadors de calor o ventiladors): aquests sistemes poden eliminar la calor dels dispositius actius, en lloc d'emetre-la directament a la placa. En general, els dissenyadors han de trobar el compromís adequat entre diferents estratègies de gestió tèrmica, en funció dels requisits de l'aplicació concreta i del pressupost disponible.
Selecció de substrats de PCB
FR{{0}} normalment no és adequat per a aplicacions que requereixen la dissipació de grans quantitats de calor a causa de la seva baixa conductivitat tèrmica (entre 0,2 i 0,5 W/mK). La calor generada en circuits d'alta potència pot ser considerable, i aquests sistemes sovint funcionen en ambients durs i temperatures extremes. L'ús d'un material de substrat alternatiu amb una conductivitat tèrmica més alta pot ser una millor opció que utilitzar FR-4 tradicional.
Els materials ceràmics, per exemple, ofereixen avantatges importants per a la gestió tèrmica de PCB d'alta potència. Aquests materials, a més de millorar la conductivitat tèrmica, també tenen excel·lents propietats mecàniques i, per tant, ajuden a compensar les tensions acumulades durant els cicles tèrmics repetits. A més, els materials ceràmics tenen una baixa pèrdua dielèctrica a freqüències de fins a 10 GHz. Per a freqüències més altes, sempre és possible escollir materials híbrids (per exemple PTFE), que proporcionen les mateixes pèrdues baixes però amb una reducció moderada de la conductivitat tèrmica.
Com més alta sigui la conductivitat tèrmica del material, més ràpida serà la transferència de calor. Així, a més de ser més lleugers que la ceràmica, metalls com l'alumini ofereixen una excel·lent solució per transferir la calor lluny dels components. L'alumini en particular també és un excel·lent conductor, té una excel·lent durabilitat, és reciclable i no és tòxic. A causa de la seva alta conductivitat tèrmica, la capa metàl·lica ajuda a transferir la calor ràpidament per tot el tauler. Alguns fabricants també ofereixen PCB revestits de metall on les dues capes exteriors estan revestides de metall, generalment d'alumini o coure galvanitzat. L'alumini és la millor opció des del punt de vista del cost per pes, mentre que el coure té una conductivitat tèrmica més alta. L'alumini també s'utilitza àmpliament per fabricar PCB que admeten LED d'alta potència (com es mostra a l'exemple de la figura 2), on la seva capacitat de reflectir la llum lluny del substrat també és especialment útil.
Fins i tot la plata, a causa de la seva conductivitat tèrmica d'aproximadament un 5 per cent més alta que el coure, també es pot utilitzar per crear alineacions, vies, coixinets i capes metàl·liques. A més, si la placa s'utilitza en un entorn humit on hi ha gasos tòxics, l'ús d'acabats platejats en alineacions de coure nu i coixinets de soldadura de coure ajudarà a prevenir la corrosió, una amenaça típica coneguda en aquests entorns.
Els PCB metàl·lics, també coneguts com a substrats metàl·lics aïllats (IMS), es poden laminar directament al PCB per formar plaques amb substrats FR-4 i nuclis metàl·lics. S'utilitzen tecnologies d'una i doble capa, amb cablejat controlat en profunditat, per la qual cosa es pot transferir la calor des dels components integrats a les zones menys crítiques. En els PCB IMS, una fina capa de dielèctric tèrmicament conductor però elèctricament aïllant es lamina entre un substrat metàl·lic i una làmina de coure. La làmina de coure està gravada al patró de circuit desitjat i el substrat metàl·lic absorbeix la calor del circuit a través d'aquest dielèctric prim.
Els principals avantatges que ofereixen els PCB IMS són els següents.
-Dissipació de calor significativament més alta que les estructures FR-4 estàndard.
-La conductivitat tèrmica del dielèctric sol ser de 5 a 10 vegades superior a la del vidre epoxi normal.
-L'eficiència de la transferència de calor és molt superior a la dels PCB convencionals.
A més de la tecnologia LED (rètols il·luminats, pantalles i il·luminació), els PCB IMS s'utilitzen àmpliament a la indústria de l'automòbil (fars, controls de motor i direcció assistida), electrònica de potència (fontes d'alimentació de CC, inversors i controls de motor), interruptors i relés de semiconductors. .