Revisión de la gestión de la resistencia térmica de PCB con vías térmicas

El diseño de PCBs y la gestión térmica están íntimamente vinculados, ya que se sabe que los problemas térmicos reducen significativamente la vida útil de una placa de circuito y sus componentes. El calor generado en una placa de circuito por componentes activos y pasivos tiende a confinarse cerca de los componentes, lo que lleva a un aumento significativo de la temperatura debido a la baja conductividad térmica de la mayoría de los sustratos de las placas de circuito. El ciclado frecuente de una placa de circuito y sus componentes entre temperaturas altas y bajas reducirá la longevidad de su sistema y puede llevar a una falla prematura de los componentes o de los conductores de cobre.

Todo diseñador debería considerar cómo gestionar el calor generado por sus componentes utilizando una combinación de estrategias. Entre estas diferentes estrategias, los diseñadores pueden hacer uso de un pad térmico y un disipador de calor en cada componente activo, el uso creativo de planos de cobre en capas interiores, materiales de sustrato con alta conductividad térmica y vías térmicas cerca de componentes activos que disipan alta potencia. La colocación estratégica de los componentes también es importante para prevenir la formación de puntos calientes en su placa de circuito impreso.

Gracias a las herramientas de diseño y análisis en Altium Designer, puedes idear una estrategia que ayudará a mantener la temperatura de tu placa dentro de límites aceptables, a pesar de la alta resistencia térmica de la mayoría de los materiales de sustrato de PCB. Las herramientas de diseño de PCB te permiten diseñar tu placa con vías térmicas, medidas de enfriamiento pasivas y activas, y sustratos con alta conductividad térmica y apilado personalizado.

ALTIUM DESIGNER

Una plataforma unificada de diseño de PCB que integra características avanzadas de diseño de PCB con características completas de diseño de vías y pads.

Los componentes en cualquier placa de circuito generarán algo de calor durante su funcionamiento, y el diseñador proactivo tomará medidas para combatir el excesivo aumento de temperatura durante la operación. Si alguna vez has visto una PC de juegos overclockeada, entonces estás familiarizado con los enormes ventiladores de enfriamiento e incluso sistemas de enfriamiento líquido utilizados para eliminar el calor de las tarjetas gráficas y procesadores. Lo más probable es que tu PCB no necesite medidas tan extremas de disipación térmica. Sin embargo, deberías considerar cómo eliminar el calor de tus componentes y producir una distribución de temperatura uniforme a lo largo de tu placa.

La alta resistencia térmica de muchos sustratos de placas de circuito puede causar la formación de puntos calientes cerca de componentes activos. Estos puntos calientes tienden a acumularse cerca de componentes activos que generan una cantidad significativa de calor. Entre los diferentes métodos para combatir el aumento de temperatura en un PCB, las vías térmicas son particularmente útiles para transportar el calor lejos de los componentes activos y hacia una capa interna de tu apilado.

Colocar vías térmicas debajo de una almohadilla con un paddle de unión a chip con la densidad de número adecuada es un método para transportar el calor hacia una capa interna de la placa. Verás los mejores resultados si optimizas el número y la disposición de las vías térmicas debajo del componente en cuestión. Cuando se combina con otros métodos de enfriamiento, como el uso de un disipador de calor y una almohadilla térmica en cada componente activo, y algunas medidas de enfriamiento activo, podrás mantener la temperatura de tus componentes por debajo de sus valores máximos calificados y extender la vida útil de tu placa de circuito.

¿Qué son las Vías Térmicas?

Dado que muchos componentes activos, como dispositivos para electrónica de potencia, procesadores de alta velocidad y componentes de alta frecuencia, generan un calor significativo durante su funcionamiento, estos dispositivos requieren algún método de disipación térmica para mantener su temperatura de operación por debajo del máximo calificado. Las vías térmicas son simplemente vías colocadas debajo de un componente que atraviesan un apilado. Estas vías pueden conectarse al plano de tierra en el apilado para transferir calor a una capa interna, donde el calor luego se conduce a través de la capa de tierra al resto de la placa.

Las vías térmicas pueden colocarse como vías pasantes para que proporcionen disipación térmica a través del apilado. El anillo anular de estas vías térmicas debe ser visible a través de la máscara de soldadura en la capa superficial debajo del componente objetivo. Pueden soldarse al paddle de unión al chip para proporcionar una conductividad térmica uniforme a través de la estructura. Llenar estas vías con un epoxi o platearlas también es una buena idea, ya que esto evita que la soldadura se filtre hacia el lado posterior de la placa. Si examinas la distribución de temperatura a lo largo de la placa, encontrarás que la distribución de temperatura en la capa superficial y la capa interna se dispersa a medida que te alejas de una vía térmica.

Transporte de calor desde las vías térmicas hacia el sustrato de la placa de circuito

Disposición de Vías Térmicas Debajo de un Componente SMD

Muchos componentes, como los componentes en paquetes QFP, incluyen una paleta unida al dado en la parte inferior del componente, y los vías térmicos deben organizarse en un patrón apropiado debajo del componente. Colocar el número correcto de vías térmicos con la distancia adecuada entre ellos optimizará la conductividad térmica efectiva de la estructura, permitiendo que la máxima cantidad de calor sea transportada hacia el sustrato y acercando la temperatura a la temperatura ambiente en el entorno. En general, deberías optar por más vías térmicos mientras te mantengas dentro de tu presupuesto de fabricación.

Ejemplo de espaciado de vías térmicos en una placa de circuito

Como muchas placas de circuito impreso están diseñadas sobre un sustrato FR4, la alta resistencia térmica de este material de sustrato requiere algún tipo de método de disipación térmica para reducir la temperatura de la placa. Los diseñadores deberían considerar combinar vías térmicos con otros métodos de disipación térmica para llevar la temperatura del sustrato y del componente a un nivel aceptable. Esto es especialmente importante si tu placa será sometida repetidamente a ciclos entre temperaturas altas y bajas.

• Las vías térmicas son solo una parte de una estrategia de gestión térmica más amplia para tu PCB. Deberías incluir otros métodos de disipación de calor, como un disipador de calor, almohadilla térmica o pasta, y ventiladores de enfriamiento si las vías térmicas no disipan suficiente calor hacia una capa interna. Aprende más sobre cómo idear una estrategia de gestión térmica para tu PCB.
• Cada vía en tu PCB afectará tu presupuesto de fabricación, y deberías considerar cuidadosamente el proceso de fabricación de PCB y el presupuesto al colocar vías térmicas.

  Aprende más sobre el proceso de fabricación y ensamblaje de tarjetas de circuito impreso.

• Al igual que otros conductores de cobre en tu PCB, las vías térmicas deben colocarse de acuerdo con tus reglas de diseño y restricciones.

  Aprende más sobre el uso de verificaciones de reglas de diseño en tu software de diseño de PCB.

Reglas de diseño para vías, pads y polígonos en Altium Designer

Tu Substrato, Vías Térmicas y Transferencia de Calor

Aunque utilices vías térmicas, no puedes garantizar que la temperatura de tu placa bajará a un valor suficientemente bajo. Esto es particularmente cierto cuando tu placa se despliega en un ambiente con temperatura más alta, o en una parte de tu sistema que alcanzará una temperatura más alta. Mientras tu placa está en operación, el gradiente térmico entre tus componentes y el ambiente será menor, lo que reducirá la tasa de transferencia de calor entre las regiones calientes y frías.

Es aquí donde usar un sustrato con alta conductividad térmica es útil para transportar rápidamente el calor lejos de los componentes activos. Los cerámicos son una de las mejores opciones de materiales de sustrato con alta conductividad térmica. Otra opción es usar una PCB con núcleo metálico; el grueso núcleo de cobre proporcionará una disipación térmica significativa en comparación con un apilamiento FR4 estándar. Cuando se combinan con vías térmicas, tu sustrato y apilamiento ayudarán a que el calor se mueva fácilmente de manera lateral a través de tu placa, llevando a una temperatura de equilibrio más uniforme durante la operación. Esto conduce a una expansión térmica más uniforme de tu PCB, lo que hace que el estrés interno sea menos concentrado en diferentes conductores de cobre en tu sistema.

Otros Métodos de Gestión Térmica

Otros métodos de gestión térmica en su PCB pueden asegurar que la temperatura de su placa se acerque más a la temperatura ambiente. Estos métodos incluyen la fijación de un disipador de calor a procesadores de alta velocidad y otros componentes importantes. Un pad térmico en un disipador de calor ayuda a proporcionar un camino de alta conductividad térmica para el calor lejos de un componente. Si tiene un gran número de componentes de alta potencia en su placa, es posible que no tenga más remedio que añadir ventiladores a su diseño para eliminar el calor de los componentes importantes.

El material de su sustrato y el apilamiento de capas también deben diseñarse con un enfoque hacia el transporte de calor lejos de la capa superficial de su placa de circuito. La alta conductividad térmica del cobre en una capa interior de su PCB transportará fácilmente el calor lejos de las vías térmicas hacia los bordes de la PCB. La disposición de sus componentes también es bastante importante. Los componentes que generan más calor deben colocarse más cerca del centro de la placa en lugar de en un borde, ya que esto permitirá que el calor se disipe sobre una área más grande en su PCB.

• Sus vías térmicas deben diseñarse para cumplir con los estándares IPC 2152 sobre rendimiento térmico. Aprenda más sobre el diseño para cumplir con las pautas de IPC 2152.
• Hay muchas técnicas de disipación de calor pasivas que puedes utilizar para controlar la temperatura de tu PCB.

  Aprende más sobre técnicas de gestión térmica pasiva para tu placa de circuito.

• Un material de sustrato alternativo es una excelente opción para transferir calor de regiones calientes a frías en tu placa y disiparlo rápidamente en el ambiente.

  Aprende más sobre trabajar con materiales de sustrato alternativos.

Tu material de sustrato y la configuración de capas determinarán la resistencia térmica en tu placa

Trabajando con Software de Diseño de Vías Térmicas

El software de diseño de vías térmicas utiliza herramientas CAD para definir la geometría estándar de tus vías y su extensión a través de tu configuración de capas. Con las herramientas adecuadas de diseño de placas de circuito, puedes diseñar la geometría y disposición de tus vías térmicas para crear una estrategia de gestión térmica integral. El mejor software para diseñar vías térmicas también incluye características de diseño de configuración de capas. Esto te permite definir capas internas de cobre que ayudarán a conducir el calor a través de tu PCB. Estas herramientas deberían ser accesibles junto con tus otras características importantes de enrutamiento y diseño, proporcionando una solución completa en una sola plataforma.

Diseño y Layout Completo de Vías Térmicas en Altium Designer

Con las completas funciones de apilamiento y vías térmicas de Altium Designer, puedes crear fácilmente tu apilado de capas, vías térmicas y diseño en un solo programa. Las herramientas CAD de Altium Designer son accesibles junto con un conjunto completo de características de simulación y planificación de producción.

• El entorno de diseño integrado en Altium Designer proporciona todas las herramientas CAD que necesitas en una sola aplicación. Tendrás acceso a importantes características de diseño y disposición de vías térmicas en un solo programa. Aprende más sobre el diseño unificado en Altium Designer.
• Trabajar con software de diseño de circuitos basado en reglas te permite definir reglas y restricciones de diseño importantes para tu placa. Esto ayuda a asegurar la funcionalidad y la fabricabilidad. Aprende más sobre el motor de diseño basado en reglas de Altium Designer.
• Con la biblioteca de apilamiento de materiales de Altium Designer, puedes elegir entre un gran conjunto de materiales de sustrato estándar con alta o baja conductividad térmica y diversas propiedades eléctricas. Aprende más sobre la biblioteca de apilamiento de materiales de Altium Designer.

Las herramientas CAD y las características de gestión en Altium Designer son ideales para el diseño de vías térmicas, la disposición de componentes y la colocación de medidas de enfriamiento activas y pasivas para apoyar la transferencia de calor en todo su sistema. Podrás definir la disposición de tus vías y los requisitos de fabricación como reglas y restricciones de diseño. También tendrás acceso a un conjunto de potentes características de simulación y análisis en una sola aplicación. Cuando agregas la biblioteca de apilado de materiales y las extensas bibliotecas de componentes, tienes todas las características que necesitas para diseñar placas de circuito con una poderosa estrategia de gestión térmica y llevarlas a producción.

Solo Altium te ofrece un enorme conjunto de recursos para el diseño de circuitos impresos. Tendrás acceso al foro AltiumLive, webinars y podcasts con expertos de la industria, tutoriales de diseño y una extensa base de conocimientos con muchos consejos de diseño. Ninguna otra compañía de software de diseño de PCB te brinda este nivel de apoyo. En lugar de trabajar con plataformas de diseño de circuitos impresos que separan tus características de diseño importantes en diferentes aplicaciones, es hora de adoptar un enfoque integrado para el diseño y la disposición. Es hora de hacer el cambio a Altium Designer.