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 del diseño de disipadores de calor y entender  cómo afectan a nuestros diseños. Cuando hablamos de gestión térmica en PCB, 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 placas de circuito improeso (PCB) modernas se basan en una combinación de estos tres efectos, por lo que es recomendable considerar un enfoque integral para la gestión térmica eficiente de tu PCB.

Estos tres fenómenos fundamentales se ven afectados por factores como el posicionamiento y orientación de las aletas del disipador de calor, la selección de los materiales de interfaz térmica (TIM) y el tratamiento de la superficie del disipador de calor. Si eres un diseñador de sistemas y necesitas una estrategia altamente detallada para la gestión térmica de tu PCB, debes conocer  bien los principios del diseño de disipadores de calor, así como los criterios clave para seleccionar el tipo de disipador térmico más adecuado y otras estrategias de enfriamiento para tu PCB.

Conceptos básicos de diseño de disipadores de calor para su PCB

Los conceptos básicos de diseño de disipadores de calor abarcan consideraciones que van desde la selección de la geometría adecuada del disipador hasta la correcta fijación de los componentes de alta potencia, que luego deberán combinarse con otras estrategias de enfriamiento de PCB. Existen muchas opciones comerciales de disipadores de calor, cada una de ellas con diferentes factores de forma, masas, y materiales. Muchos fabricantes también recomiendan o distribuyen disipadores de calor específicos para sus propios componentes (comos es el caso de los fabricantes de CPU y GPU).

Puedes optar por una de estas soluciones comerciales para enfriar tus componentes de alta potencia, o bien diseñar un modelo CAD personalizado de disipador de calor. Si eliges esta segunda opción, es buena ida tomar como punto de partida de tu diseño as recomendaciones de disipador de calor del fabricante.

En primer lugar, es importanteentender que no todos los componentes electrónicos necesitan tener un disipador de calor acoplado directamente. En algunos casos, el disipador de calor puede ser mucho más grande que el componente que se intenta enfriar, y no todos los componentes generan el suficiente calor como para justificar el uso de un disipador. Algunos paquetes de circuitos integrados, como los QFN, ya incluyen un disipador de calor interno sobre el semiconductor, diseñado para disipar calor directamente hacia el sustrato.

Si necesitas un disipador de calor no comercial o quieres diseñar el tuyo propio, deberás evaluar cómo aprovechar al máximo los tres mecanismos fundamentales para la transferencia de calor: conducción, convección y radiación, para lograr una gestión térmica eficiente en tu PCB.

Convección

La convección natural y la convención forzada pueden crear un flujo de aire a través de un disipador de calor. La convección natural no utiliza ventiladores ni fuerzas externas para mover el aire, sino que se basa en las corrientes de convección que se producen de forma natural en un fluido con calentamiento diferencial. Este proceso pasivo no consume energía, pero puede resultar demasiado lento como para lograr una gestión térmica en PCB eficaz. El flujo generado suele ser 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, asegúrate de orientarlo de forma que el aire pueda ascender paralelamente a las aletas, y deja entradas y salidas que permitan al aire fluir naturalmente a través de la carcasa. Además, las aletas deben seguir un patrón disperso: si están desmasiado agrupadas, inhibirán el;efecto de convección.

Por el contrario, la convección forzada utiliza una fuerza externa para mover el aire, generalmente mediante 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, el diseño del disipador de calor influye directamente en la eficiencia de este tipo de enfriamiento. Para aprovechar al máximo la transferencia de calor mediante convección forzada sigue 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. Asegúrate que tu disipador de calor tenga suficiente espacio entre las aletas como para que el flujo de aire pueda pasar al régimen turbulento, que mejora la transferencia de calor.
• Presta 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 de PCB, en vez de hacerlo fluir a través de los componentes cercanos. Este es uno de los motivos por los que los disipadores de calor pueden montarse por encima de un componente y direccionarse a una salida mediante un pequeño tubo termosifón (o heat pipe). Los heat pipe dirigen el aire desde el disipador de calor hacia una salida. 

En los sistemas con 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, querrás orientar tu 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 tus 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 deseas encontrar el tamaño y la ubicación perfectos para las aletas, deberás hacer algunos cálculos.

Conducción

La conducción térmica transfiere el calor entre zonas 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. Al diseñar un disipador de calor, debes considerar hacia dónde se transferirá el calor. Las aletas del disipador de calor capturan el calor de los componentes y lo transfieren 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 de calor. 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 tu diseño del disipador, necesitas una conexión con una alta conductividad térmica entre el componente y el disipador de calor. 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 debes investigar cuál es el material de gestión térmica de PCB 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 de calor grande 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. Puedes también utilizar un disipador para transferir calor hacia el aire si así lo deseas.

Radiación

La radiación térmica se refiere a la conversión del calor en energía radiante, un fenómeno que 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 del isipador de calor te 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 tu disipador.

No basta con pintar de negro el disipador de calor. Lo importante es conocer la emisividad térmica 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.

Ubicación del disipador de calor con herramientas  MCAD

Cuando necesites ubicar un disipador de calor en tu placa de PCB y examinar cómo encajaría en un sistema más grande, puedes utilizar herramientas MCAD dentro de tu software de diseño de PCB para determinar la ubicación óptima para tu disipador en sus componentes. Simplemente exporta tu diseño de disipador desde una herramienta de CAD mecánica como un archivo STEP e impórtalo a tu software de diseño de PCB para visualizar el disipador de calor en 3D sobre tu placa. Esto te permitirá comprobar interferencias y validar su integración en la carcasa del equipo.

Si estás diseñando tu propio disipador de calor, o buscando un disipador de calor comercial, ten en cuenta estas directrices de diseño, especialmente vas a combinarlo con un ventilador.  

• Reducción del ruido eléctrico de ventilador en su PCB
• Una comparación entre técnicas de enfriamiento activas para equipos electrónicos
• EMI en disipadores de calor y qué se puede hacer al respecto

Una vez que hayas seguido estos principios básicos de diseño de disipadores de calor, puedes utilizar las herramientas de diseño de PCB y las funcionalidades de MCAD nativas de Altium Designer para crear tu placa e integrar tu disipador en 3D. Las prestaciones de diseño estándar del sector presentes en Altium Designer te da todo lo que necesitas para colocar tu disipador de calor y verificar las holguras mecánicas. Altium Designer en Altium 365 te ofrece un nivel de integraciones sin precedentes para la industria electrónica, llevando a este sector capacidades de colaboración que antes solo estaban disponibles en el desarrollo de software. Esto permite a los diseñadores trabajar desde cualquier lugar y alcanzar nuevos niveles de eficiencia en sus proyectos.

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