La gestión térmica de las placas de circuitos impresos y los conjuntos electrónicos es un reto cada vez mayor: tanto si se trata de aplicaciones LED de alta potencia luminosa como de tecnología de alta frecuencia o electrónica de potencia, cada vez es más necesario mejorar la transferencia de calor y la refrigeración.
El objetivo de la gestión térmica en una placa de circuito impreso o un conjunto electrónico es alejar el calor de los componentes que lo generan y disiparlo al exterior. Una mejor transferencia del calor reduce el riesgo de sobrecarga térmica de los componentes activos y suele ser un factor decisivo para cumplir los requisitos de vida útil del producto.
Las siguientes tecnologías a nivel de placa de circuito impreso mejoran la disipación del calor:
- Tecnología de núcleo metálico
- Tecnología de pilares de cobre
- Tecnología de monedas de cobre
Tecnología de núcleo metálico (MCPCB)
Una forma sencilla de mejorar considerablemente la disipación del calor es utilizar otros materiales dieléctricos conductores térmicos para la placa de circuito impreso en lugar del material estándar para placas de circuito impreso multicapa (FR4) y laminarlos sobre una base metálica (placa de circuito impreso con núcleo metálico). Un PCB construido de este modo tiene un rendimiento térmico significativamente mayor. Los MCPCB utilizan láminas conductoras de calor dieléctricas entre las capas de cobre, lo que permite disipar el calor al núcleo metálico, al sustrato de base metálica y, por tanto, también de los componentes.
Fig. 1: MCPCB de una cara (capa superior de cobre)
Fig. 2: MCPCB de doble cara (capa de cobre superior e inferior)
Fig. 3: MCPCB multicapa (+4 capas FR4)
Fig. 4: MCPCB rígido-flexible (capa flexible de doble cara)
Los MCPCB se pueden fabricar con una sola capa de cobre(Fig. 1) sobre un sustrato base metálico (aluminio, cobre o acero) o con una estructura de capa de cobre de doble cara (superior e inferior)(Fig. 2) o también se pueden construir como multicapa(Fig. 3). Las estructuras rígido-flexibles también pueden realizarse con sustratos de base metálica(Fig. 4).
La figura 5 muestra una estructura MCPCB de 2 capas en la que se aprecia la transferencia de calor desde el componente de la cara superior a través de la estructura hasta el sustrato metálico. Con esta estructura se puede alcanzar una conductividad térmica de hasta 12 W/mK.
Fig. 5: MCPCB de doble cara con capa superior e inferior superpuestas
Si se requiere una mayor transferencia de calor, se recomienda utilizar la tecnología de columna de cobre o la tecnología de moneda de cobre.
Tecnología de columna de cobre
La tecnología patentada de columna de cobre es ideal para conectar el sustrato base directamente a la fuente de calor y utilizar toda la conductividad térmica del sustrato base de cobre (aprox. 400 W/mK). Con esta técnica, se forman columnas de cobre a partir del sustrato base.
Esta forma de disipación del calor es adecuada para placas de circuito impreso de 1 ó 2 capas. La terminación de la columna de cobre se forma al mismo nivel que la placa de circuito impreso de la parte superior. Aquí también se pueden conectar eléctricamente los circuitos de potencia y lógicos, por lo que es posible una conexión directa en todos los sentidos.
El sustrato base de cobre también puede dividirse y separarse eléctricamente con epoxi. Esto significa que la tecnología de pilares de cobre también puede utilizarse para la construcción de aplicaciones de alta corriente. Esta separación eléctrica permite realizar en una placa de circuito impreso varios potenciales de alta corriente con una parte lógica conectada.
Este tipo de soluciones son especialmente necesarias en la actualidad y en el futuro para la e-movilidad, en la que es necesario alojar potencias muy elevadas en un espacio de instalación muy reducido(Figs. 6, 7 y 8).
Fig. 6: Tecnología de columna de cobre
Fig. 7: Columna de cobre con conexión a la sección lógica
Fig. 8: Tecnología de columna de cobre
Tecnología de monedas de cobre
Las placas de circuito impreso con monedas de cobre contienen una pieza de cobre macizo que se inserta en la placa de circuito impreso durante la producción. Suelen colocarse debajo de los componentes que deben refrigerarse tras el montaje.
Las monedas de cobre pueden proporcionar aproximadamente el doble de disipación térmica que una granja de vías (muchas vías dispuestas en bloques para disipar el calor). La pieza de cobre puede proporcionar una conexión térmica directa entre el componente generador de calor y el disipador. Esto significa que no se necesita ningún otro material conductor del calor.
La tecnología de monedas de cobre es la más adecuada cuando los componentes que generan más calor están concentrados en una placa de circuito impreso. Esta solución ofrece una transferencia de calor localizada, independientemente del número de capas o del material de la placa de circuito impreso.
Durante la producción, se coloca una pieza de moneda de cobre en un recorte prefabricado. Puede incorporarse en diversas formas y configuraciones. El diseñador selecciona un buen equilibrio entre el tendido de cables, los requisitos de los distintos niveles de potencia y los requisitos de refrigeración/disipación de calor para la configuración respectiva. Las figuras 9 y 10 muestran una ruta de cobre fija desde la capa 1 a la capa 4, que actúa como almohadilla de montaje y proporciona el canal de disipación de calor óptimo para una fuente de calor.
En los casos en que el tamaño de la almohadilla sea demasiado pequeño y sea necesario encaminar trazas adicionales bajo la almohadilla caliente, también se puede encaminar una moneda de cobre sólo hasta una capa específica en lugar de hacerlo de forma continua a través de toda la placa de circuito impreso. Las figuras 11 y 12 muestran la implementación de una moneda de cobre que se coloca entre la capa 4 y la capa 2, pero que no tiene contacto con la capa 1.
Fig. 9 + 10: Placa de circuito impreso de monedas de cobre
Fig. 11 + 12: Placa de circuito impreso de monedas de cobre
Fig. 13: Placa de circuito impreso con moneda de cobre en forma de T
La figura 13 muestra un ejemplo de moneda de cobre en forma de T. La forma de T es un ejemplo de las opciones de diseño disponibles con la tecnología de monedas de cobre. Se utiliza cuando el tamaño y la forma de la superficie generadora de calor difieren del tamaño y la forma de la superficie disipadora de calor, por ejemplo, en el caso de un punto caliente pequeño y el uso de un disipador de calor grande. Por lo tanto, las monedas de cobre ofrecen muchas posibilidades para alcanzar buenos compromisos en cuanto a la disipación del calor y el espacio de instalación necesario para ello.
NCAB ofrece el apoyo necesario para los proyectos de los clientes con equipos regionales y locales a la hora de seleccionar el enfoque adecuado para la gestión térmica.
