Descripción general de los principios y conceptos básicos del diseño de disipadores de calor

Para los ingenieros electrónicos es importante tener presentes los conceptos básicos y el cómo afectan a nuestros diseños. Cuando hablamos de gestión térmica, resistencia térmica, y disipadores de calor, los tres fenómenos principales que generan la transferencia de calor son: convección, conducción y radiación. Las estrategias de diseño térmico en las PCB modernas se basan en una combinación de estos tres efectos, por lo que es recomendable considerar un enfoque holístico para la gestión térmica de su PCB.

Estos tres fenómenos fundamentales se ven afectados por cosas como el posicionamiento y orientación de las aletas, la selección de los materiales de interfaz térmica (TIM) y el tratamiento de la superficie del disipador de calor. Si usted es un diseñador de sistemas y necesita una estrategia altamente detallada para su gestión térmica, debe conocer algunos conceptos básicos de diseño de disipadores de calor, y también saber cómo seleccionar un disipador y otras estrategias de enfriamiento para su PCB.

Conceptos básicos de diseño de disipadores de calor para su PCB

Los conceptos básicos de diseño disipadores de calor abarcan consideraciones que van desde la selección de la geometría correcta para un disipador hasta la fijación de los componentes de alta potencia, los cuales deberán ser combinados luego con otras estrategias de enfriamiento. Hay muchas opciones comerciales de disipadores de calor, cada una de ellas con diferentes factores de forma, masas, y materiales. Los fabricantes también recomiendan o distribuyen disipadores de calor para sus propios componentes (por ejemplo, los fabricantes de CPU y GPU). Usted puede seleccionar una de estas opciones para enfriar sus componentes de alta potencia, o bien puede crear un modelo CAD para un disipador de calor personalizado. Si va a escoger este último camino, es buena ida utilizar las recomendaciones de disipador de calor del fabricante como punto de partida para su diseño.

En primer lugar, es importante comprender que no todos los componentes necesitan tener un disipador de calor acoplado directamente. En algunos casos, los disipadores de calor son mucho más grandes que los componentes que se intentan enfriar, y no todos los componentes generan el suficiente calor como para justificar el uso de un disipador. Algunos paquetes de circuitos integrados (por ejemplo, QFN) incluyen un disipador de calor sobre el semiconductor a fines de disipar calor directamente sobre el sustrato.

Si usted necesita un modelo no comercial de un disipador de calor, o diseñar el suyo propio, debe evaluar cómo aprovechar al máximo los tres mecanismos fundamentales para la transferencia de calor.

Convección

La convección natural y la forzada pueden crear un flujo de aire a través de un disipador de calor. La convección natural no utiliza ventiladores ni fuerza externa para mover el aire. En cambio, se basa en las corrientes de convección que ocurren naturalmente en un fluido con calentamiento diferencial. Este proceso pasivo no consume energía, pero también puede resultar un poco lento como para enfriar las cosas suficientemente. El flujo es bastante débil en un esquema de convección natural, por lo que si este se obstruye de alguna manera, su enfriamiento se verá severamente inhibido. Al colocar el disipador de calor, debe asegurarse de orientarlo de forma tal que el aire pueda ascender paralelamente a las aletas, y colocar algunas entradas/salidas para que el aire pueda fluir naturalmente a través de su carcasa. Las aletas deben seguir un patrón disperso: si se encuentran densamente agrupadas, inhibirán la convección.

La convección forzada es todo lo contrario: utiliza una fuerza externa para mover el aire. Por lo general esta fuerza se genera, por ejemplo, con un ventilador para electrónica. Con este método, es necesario suministrar electricidad para que funcione el ventilador, pero a cambio se obtiene un enfriamiento más rápido. Curiosamente, la forma que elija tendrá un efecto sobre el tipo de disipador de calor a elegir para maximizar el efecto de disipación. Para aprovechar al máximo la transferencia de calor mediante convección forzada siga estas recomendaciones al diseñar un disipador de calor o al seleccionar un disipador de calor comercial:

• Flujo turbulento: cuando el flujo se constriñe a través de una abertura estrecha, caerá en un régimen laminar, y el flujo de calor desde el disipador de calor al aire circundante estará limitado debido a la falta de mezclado. Lo deseable es que el fluido pase a un régimen turbulento de flujo para que el mezclado natural del aire ayude en la transferencia de calor del disipador. Asegúrese que su disipador de calor tenga suficiente espacio entre las aletas como para que el flujo de aire pueda pasar al régimen turbulento.
• Preste atención a la dirección del flujo: puede sonar básico, pero lo que se desea es hacer fluir el aire a través del disipador de calor y hacia afuera del resto de la placa, en vez de hacerlo fluir a través de los componentes cercanos. Este es uno de los motivos por los que los disipadores pueden montarse por encima de un componente y direccionarse a una salida mediante un pequeño tubo termosifón (o heat pipe).

En el caso de la convección forzada, las cosas son a la vez más simples y complejas. El flujo de aire está garantizado, así que solo hace falta optimizarlo. Como antes, querrá orientar su disipador de calor para que el aire pase de forma paralela a las aletas. El diseño de las aletas es la parte más complicada. Los principales elementos a considerar en la convección forzada son las caídas y pérdidas de presión. Si sus aletas son demasiado largas o demasiado densas, provocarán una caída de presión excesiva en el disipador de calor, lo que culminará en un sistema ineficiente. Si desea encontrar el tamaño y la ubicación perfectos para las aletas, deberá hacer algunos cálculos.

Conducción

La conducción transfiere el calor entre regiones calientes y frías en un sistema mediante el contacto físico directo. Este es probablemente el método más simple de eliminar calor de un componente caliente. Cuando se trata de conducción, es necesario pensar hacia dónde se está transfiriendo el calor. Las aletas de un disipador de calor son las responsables de extraer el calor de un componente y transferirlo al aire. La ubicación óptima de un disipador de calor es en un lugar caliente, por ejemplo en un circuito integrado (IC) potente, o en un difusor térmico que recolecta el calor de múltiples fuentes.

La tasa a la que el calor se extrae depende del valor de la difusividad térmica del material del disipador. Entre los metales más comunes, la plata, el oro, el cobre y el aluminio, en ese orden, son los que presentan las mayores difusividades térmicas. Es muy común el uso de aleaciones, porque permiten obtener densidades menores que utilizando materiales puros, lo cual incrementa la difusividad térmica.

Para incrementar la transferencia de calor en su diseño del disipador, necesita una conexión con una alta conductividad térmica entre el componente y el disipador. Aquí es donde se utiliza una pasta térmica o algún otro material térmico de interfaz para generar una adhesión con una alta conductividad térmica. Hay una gran variedad de productos para elegir, por lo que usted debe investigar cuál es el más adecuado.

La disposición del disipador de calor también es importante. Lo que se busca es maximizar la refrigeración y minimizar el espacio utilizado al mismo tiempo. De hecho, probablemente lo mejor sería no tener que usar un disipador de calor. Una alternativa a un disipador grande de calor en algunos IC es el uso de un componente con una almohadilla sobre el semiconductor. Esta almohadilla puede ser conectada a vías a través del sustrato, y que a su vez estén conectadas a un plano a tierra. Esto distribuye el calor por la placa y ayuda a crear una temperatura de junta más pareja en la PCB. Puede también utilizar un disipador para transferir calor hacia el aire si así lo desea.

Radiación

La radiación se refiere a la conversión del calor en energía radiante, lo cual ocurre simplemente debido a que los objetos tienen una determinada temperatura. A medida que el objeto emite calor, su temperatura disminuye. El seleccionar el material y acabado ideales para la superficie de su disipador le dará ese “extra” de transferencia de calor que hace falta para reducir la temperatura. Además, la forma y masa del material determinará cuánto calor puede ser irradiado de su disipador.

Pero tan solo pintar de negro el disipador no lo es todo. Nos interesa conocer la emisividad a ciertas longitudes de onda, en vez de concentrarnos en el color de disipador. Para ser más específicos, se necesita maximizar la emisividad a longitudes largas de onda, en el espectro infrarrojo. El aluminio anodizado es uno de los materiales que se suele utilizar en disipadores de calor, debido a sus altas emisividad y conductividad térmicas. El aluminio, además, se puede extruir y anodizar fácilmente y a bajo coste.

Un disipador de calor con una relación superficie/volumen elevada disipará mayor cantidad de calor mediante radiación. Cuanta más superficie tenga, mayor cantidad de calor irradiará su disipador. Sin embargo, un aumento en la superficie tiende a reducir la convección, por lo que es necesario equilibrar los efectos de convección, conducción y radiación en el diseño de su disipador de calor.

Utilice herramientas MCAD en su software de diseño para ubicar su disipador de calor

Cuando llegue el momento de ubicar un disipador de calor en su placa y examinar cómo encajaría en un sistema más grande, puede utilizar herramientas MCAD en su software de diseño de PCB para determinar la ubicación óptima para su disipador en sus componentes. Simplemente exporte su diseño de disipador desde una herramienta de CAD mecánica como un archivo STEP e impórtelo a su software de diseño de PCB para obtener una vista 3D de su disipador en su placa PCB. Esto le permite comprobar si hay colisiones, y si su diseño cabe en la carcasa.

Si usted está diseñando su propio disipador de calor, o buscando un disipador de calor comercial, preste atención a estas otras directrices de diseño, especialmente si planea combinar su disipador con un ventilador.

• Reducción del ruido eléctrico de ventilador en su PCB
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• EMI en disipadores de calor y qué se puede hacer al respecto

Una vez que usted haya seguido estos puntos básicos de diseño de disipadores de calor, puede utilizar las herramientas de disposición de PCB y las funcionalidades de MCAD nativas de Altium Designer para crear su placa y ubicar su disipador en 3D. Las prestaciones de diseño estándar del sector presentes en Altium Designer le da todo lo que usted necesita para colocar su disipador de calor y verificar las holguras mecánicas. Altium Designer en Altium 365 le ofrece una cantidad sin precedentes de integraciones para la industria de la electrónica, que hasta este momento había sido relegada al mundo del desarrollo de software, permitiéndole a los diseñadores trabajar desde sus hogares y alcanzar niveles de eficiencia también sin precedentes.

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