Maximización del enfriamiento de PCBs con las mejores prácticas de diseño de disipadores de calor para montaje superficial

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Es un caluroso día de verano en Brooklyn... su ventilador está en un lugar incómodo de su pequeño departamento y usted no puede quitarse el calor. Si solo pudiese reestructurar la distribución de su apartamento para que el ventilador soplara aire en su dirección para enfriarlo. Lo mismo puede decirse de su PCB si los disipadores de calor de tecnología de montaje superficial (SMT) no están alineados correctamente con el flujo de aire o la forma correcta para transferir calor al aire. Lamentablemente, su tarjeta de circuito no puede lidiar el calor adicional por medio del sudor, así que lo mejor es evitar quemarla al seleccionar el disipador de calor SMT correcto.

Como usted sabe, un disipador de calor SMT no se ve afectado por los procesos normales de soldadura y reflujo utilizados en la producción de circuitos semiconductores, y son únicos porque eliminan el calor a través de la conducción. Además, las alas levantadas del disipador de calor SMT crean un área de superficie para ayudar a disipar el calor en el aire.  

Un enfriamiento de mayor eficiencia se puede lograr alterando las superficies de intercambio de calor o mediante ventiladores más fuertes. Para los SMTs, el flujo laminar de aire de las aletas lisas generalmente no es suficiente para disipar el calor, por lo que los diseñadores están explorando diferentes formas de aletas para mejorar la transferencia de calor. Por ejemplo, las aletas serradas se utilizan para aumentar el intercambio de calor superficial y la turbulencia del aire, con algunos diseños que incorporan aletas huecas y aletas con cortes agregados.

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Cómo seleccionar el disipador de calor SMT correcto

Me encanta ir en la búsqueda del disipador de calor perfecto. Si bien este puede ser un proceso rápido y sucio, simplemente al calcular la resistencia térmica necesaria y poner un disipador térmico de aletas aceptable en su tarjeta, un poco de pensamiento puede dar como resultado una PCB diseñada con una solución más eficiente para la disipación del calor. Las cosas más importantes a considerar al seleccionar cualquier disipador de calor son:

• El material del disipador de calor: cobre frente al aluminio. Es importante entender el equilibrio entre el cobre y el aluminio para su disipador de calor. Si bien el cobre es el material preferido para la transferencia de calor, el aluminio tiene la ventaja de ser más económico y ligero. Tener un disipador de calor más pesado en una tarjeta puede ser negativo. Un diseño sugerido es combinar una base enchapada de cobre con un disipador de calor de aluminio para transportar el calor de la CPU.

• Configuración de aletas: la geometría y la disposición de las aletas son factores importantes para disipar el calor. Por ejemplo, el corte transversal de las aletas en secciones cortas mejora la transferencia de calor en la superficie de la aleta (especialmente en casos con flujo de aire desde direcciones impredecibles). Las aletas aumentadas también pueden optimizar la transferencia de calor a través de la curvatura del metal en relación con el aire. La resistencia térmica disminuye con la mayor cantidad de aletas utilizadas.

• La huella: tener un disipador de calor demasiado grande puede ser un problema (y puede incluso causar el riesgo de provocar tensión en su tarjeta). Además, con una tendencia hacia diseños de productos y electrónica cada vez más pequeños, es posible que siempre busque minimizar el espacio ocupado.

• Altura del disipador de calor: también es importante la altura de las aletas para disipar el calor en la tarjeta. La resistencia térmica disminuye con el aumento de la altura de la aleta. Sin embargo, en algún momento puede haber un cambio cuando se prefiere una aleta más corta para acomodar algún otro aspecto del diseño.

• Método de fijación: si bien a veces se pasa por alto, el método de fijación puede afectar significativamente el rendimiento térmico de la tarjeta. Los métodos para fijar el disipador de calor incluyen cinta térmica, epoxi y clips. Tendrá que investigar más a fondo para evaluar las ventajas y desventajas de los diversos métodos de fijación. Por ejemplo, si bien la cinta térmica es barata y fácil de usar para los disipadores de calor de aluminio, puede que no se sostenga con seguridad en diferentes situaciones.

Los disipadores de calor de aletas de alfiler son una opción evidente para la disipación del calor, ya que generalmente tienen la mayor superficie; sin embargo, para maximizar su eficacia, usted como diseñador debe ser consciente de la dinámica del fluido de aire en juego. Para ahorrarle el tiempo y la energía de descifrar su software de CFD, aquí hay algunas reglas básicas a seguir:  

• Los disipadores de calor de aletas de alfiler funcionan mejor cuando el flujo de aire fluye axialmente a lo largo de los pines, pero si su diseño es ajustado y esta no es una opción viable, entonces vale la pena considerar el uso de un disipador de calor de aletas rectas.

• Se ha demostrado que los disipadores de calor de aletas rectas superan a las aletas de alfiler cuando el flujo de aire es tangencial al disipador de calor.

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No olvide estar al tanto de la velocidad del aire

La velocidad de su flujo de aire puede alterar significativamente el rendimiento esperado del disipador de calor de aletas. Si bien una estructura de aleta densa puede ser atractiva, ya que aumenta su superficie, también puede aumentar la resistencia del aire si el flujo de aire es demasiado bajo, lo que no le ayudará demasiado.

Para abordar el problema de los entornos con bajo flujo de aire (~ 1m/s), se han probado los diseños de aletas acampanadas y se ha demostrado que superan a sus equivalentes rectos. Por ejemplo, en los entornos de bajo flujo de aire, los disipadores de calor de aletas de alfiler abiertas superan a sus equivalentes de aletas de alfiler rectas en un 20 a 30% y los disipadores de calor de aletas acampanadas superan a sus equivalentes de aletas rectas en al menos un 20%.

Trabajar con SMDs en Altium Designer

Elegir el disipador de calor SMT correcto, si bien es agradable, puede ser una pérdida de tiempo. Altium Designer simplificará su vida al tener en cuenta las reglas SMT para que pueda concentrarse en enfriar su tarjeta de manera efectiva. Con el software profesional de diseño de PCB usted puede ocupar menos tiempo con reglas tediosas y más tiempo haciendo su diseño de PCB casi tan bien como lo hace manteniendo las cosas frescas.