El rápido desarrollo de la tecnología electrónica conduce a una mejora instantánea en términos de velocidad de cálculo, frecuencia de cálculo e integridad de los productos electrónicos. Además, con la reducción del volumen de los productos electrónicos, la densidad de potencia volumétrica se vuelve cada vez más alta. Asimismo, la orientación del desarrollo hacia el grosor reducido, la ligereza y la miniaturización hace que los componentes electrónicos presenten un valor calorífico por unidad de volumen cada vez mayor. Con la actualización de los productos electrónicos, su fiabilidad se ve gravemente afectada como resultado del rápido aumento de la densidad de flujo de calor en las PCB. Según el principio de los 10 grados, cada vez que la temperatura aumenta en 10 grados Celsius, parte de los parámetros de algunos componentes se reducirá a la mitad. Según una investigación, el 55% de los dispositivos electrónicos se dañan porque la temperatura supera el valor nominal de los componentes. Por lo tanto, un razonablediseño de componentesy la disipación térmica de la PCB ha sido el principal elemento que los ingenieros deben considerar.
El diseño térmico de los productos electrónicos suele dividirse en los siguientes niveles: nivel de sistema, nivel de placa y nivel de encapsulado. El diseño térmico a nivel de placa se refiere al diseño térmico del radiador,plantilla electrónicay PCB. Este artículo proporcionará un nuevo método de disipación de calor que permite que el calor en la parte inferior de los componentes se transmita rápidamente hacia el exterior y aumenta el área de disipación térmica de los componentes sin influir en el diseño de la PCB, cuyo objetivo es reducir la temperatura de los componentes y la diferencia de temperatura. En comparación con el método tradicional de disipación térmica, este nuevo método presenta algunas características, como múltiples estructuras de disipación de calor, reducción de la deformación térmica de la PCB y una ocupación de espacio reducida. La disipación térmica global de la PCB es anisotrópica como resultado de los múltiples patrones de las capas de la PCB, incluidas la capa superior, la capa inferior y la capa de enrutamiento, lo que conduce a múltiples características como el contenido de cobre, el espesor de cobre, los orificios pasantes y sus posiciones. Basándose en un software de análisis térmico y en la forma física y las características térmicas de los componentes, este artículo establecerá una PCB y unos componentes simplificados y analizará la longitud, la anchura y la cantidad de aletas de refrigeración, obteniendo resultados experimentales mediante el análisis de datos de simulación en diferentes condiciones.
Principios del análisis térmico
Teoría del análisis térmico enplaca PCBel nivel se basa en los principios básicos de la teoría de la transferencia de calor. El proceso de transferencia de calor presenta tres modos diferentes de transferencia de calor: conducción térmica, convección térmica y radiación térmica, entre los cuales la conducción térmica es el principal método de disipación de calor.
Según la ley de Fourier sobre la teoría de la transferencia de calor, en la capa diferencial con cualquier espesor deda lo largo de la dirección dex, energía que pasaden la unidad de tiempo es directamente proporcional al áreaAde la tasa de cambio de temperatura, que puede expresarse en la fórmula
.
En esta fórmula,Q(W) se refiere a la energía que atraviesa el áreaAen una unidad de tiempo, que también es flujo de calor.A(m²) se refiere al área de la sección transversal en la dirección de conducción.L(m) se refiere a la longitud de la trayectoria de conducción.k[W/(m•°C)] es la conductividad térmica.Δ t(°C) es la diferencia de temperatura entre dos lados ded.x(m) es la trayectoria del flujo de calor. El signo menos indica lo contrario a la dirección de transmisión de calor y al aumento de temperatura.
Densidad de flujo de calorq(W/m²) se refiere a la cantidad de flujo de calor que pasa a través de una unidad de áreaAdentro de la unidad de tiempo, lo cual se muestra en la fórmula
.
Diferentes materiales tienen distinta conductividad térmicakcuyo alto valor indica una conductividad excelente.
Teoría de la resistencia térmica de PCB
La PCB es un tipo de estructura multicapa tan compleja que su conducción de calor es anisotrópica. En cuanto al análisis térmico de la PCB, la estructura del material en cada capa es diferente, por lo que es difícil establecer un modelo debido al gran número de mallas y a la baja velocidad de cálculo. Este artículo utiliza un modelo simplificado con la ayuda de un software de análisis térmico. El modelo simplificado de PCB multicapa se muestra en la Figura 1 a continuación.
Supongamos que la capa de cobre y la capa de FR-4 tienen el mismo grosor y que cada capa tiene el mismo espaciado.knesa es una conductividad térmica normal ykpes decir, la conductividad térmica de cada capa se utiliza para describir el rendimiento térmico de la PCB. Se pueden usar las siguientes fórmulas para calcular el valor deknykp.
En esta fórmula,δCobrese refiere al grosor de cada capa de cobre;kCobrees la conductividad térmica del cobre con un valor de 388 [W/(m•°C)];kjes la conductividad térmica de cada ruta de cobre;δFes el grosor de cada capa de FR-4;kFes la conductividad térmica de FR-4 con un valor de 0,35 [W/(m•°C)];δPCBes el grosor total de la PCB;Ajes el área total de enrutamiento de cobre en la capajLa resistencia térmica de la PCB se muestra en el modelo simplificado de la Figura 2.
La temperatura de la capa superficial de la PCB y de la capa inferior es respectivamentet1yt2; el calor total transmitido esQ; la resistencia total esR; la resistencia térmica de cada capa en la orientación del espesor esR1,R2yR3y finalmenteL1,L2yL3; el área del tablero esA. Según la Figura 2(a), se supone que la orientación es únicamente vertical y la resistencia térmica puede calcularse mediante la siguiente fórmula:
R1= L1(A•k1)
R2= L2(A•k2)
R3= L3(A•k3)
Según la Figura 2(b), se supone que la orientación debe ser únicamente horizontal y la resistencia térmica puede calcularse mediante la siguiente fórmula:
R1= L/(A1•k1)
R2= L/(A2•k2)
R3= L/(A3•k3)
1/R = 1/R1+ 1/R2+ 1/R3
La resistencia térmica total en las orientaciones vertical y horizontal puede mostrarse de acuerdo con la conexión en serie-paralelo de la resistencia térmica mediante la fórmulaQ = (t1- t2)/R.
Según la fórmula anterior, es evidente que la resistencia térmica total en la orientación horizontal es mucho menor que en la orientación vertical. Por lo tanto, si el cobre se entierra horizontalmente en la PCB, se obtendrá un mejor efecto de disipación térmica. En este artículo se selecciona una PCB de doble capa como objeto de análisis. La Figura 3 muestra el esquema del cobre enterrado en la PCB.
Análisis y Verificación de Simulación
• Diseño de modelo de PCB
El tamaño del modelo simplificado se muestra en la siguiente tabla.
|
Artículo
|
Tamaño
|
| PCB |
100 mm × 100 mm |
| Chip |
10 mm × 10 mm |
| Paquete de componentes |
20 mm × 20 mm |
| Consumo de energía del chip |
8W |
El componente se coloca en el centro de la PCB, cuya fuente de calor tiene cobre enterrado debajo. Aletas de enfriamiento de cobre están enterradas adyacentes al cobre. La Figura 4 es el modelo de simulación con un tamaño de 0,5 mm x 30 mm.
Un circuito con una corriente de 2 A se establece como objeto de simulación de modo que el ancho de la pista sea de al menos 0,5 mm y el orificio pasante de 0,5 mm. Las aletas de refrigeración adyacentes al cobre enterrado deben tener un espacio mínimo de 1 mm y el ancho de las aletas de refrigeración en este artículo se define como 0,13 mm, 0,25 mm, 0,5 mm, 0,75 mm y 1 mm, y la longitud como 20 mm, 30 mm y 40 mm. Bajo la condición de un ancho de 10 mm y un espacio inferior a 1 mm, el número de aletas de refrigeración con diferente ancho se muestra en la tabla siguiente.
|
Ancho de aleta (mm)
|
Temperatura (°C)
|
Longitud de la aleta (mm)
|
Número de aletas
|
|
20
|
30
|
40
|
| 0,13 |
Más alto |
96,7 |
91,2 |
89,8 |
10 |
| Más bajo |
89,1 |
84,5 |
83,4 |
| 0,25 |
Más alto |
92,5 |
89,5 |
87,5 |
8 |
| Más bajo |
85,4 |
83,6 |
81,9 |
| 0,50 |
Más alto |
92,1 |
88,6 |
86,2 |
7 |
| Más bajo |
85,3 |
83,2 |
81,2 |
| 0,75 |
Más alto |
91,9 |
87,9 |
85,3 |
6 |
| Más bajo |
85,2 |
83,0 |
80,8 |
| 1,00 |
Más alto |
91,8 |
87,8 |
85,1 |
5 |
| Más bajo |
85,0 |
82,9 |
80,8 |
| Temperatura de los componentes sin cobre enterrado (°C) |
Más alto: 108,4
Mínimo: 98,3 |
• Análisis de resultados
Según la Tabla 2, se puede inferir que las diferencias en el ancho y la longitud de las aletas de cobre conducen a un gran aumento de la temperatura de los componentes de las PCB. Sin embargo, en la aplicación práctica, se deben seleccionar una longitud de PCB y un ancho de aleta adecuados teniendo en cuenta las situaciones reales y el costo del cobre. La Figura 5 es el gráfico de la temperatura más alta de los componentes, mientras que la Figura 6 es el gráfico de la temperatura más baja de los componentes.
A partir de la tendencia de cambio indicada por la gráfica, se puede resumir que cuando el ancho de las aletas es menor de 0,5 mm, la temperatura de los componentes disminuye considerablemente con el aumento del ancho de la aleta. La reducción de la temperatura se estabiliza cuando el ancho es superior a 0,5 mm. Por lo tanto, la diferencia de temperatura es mayor cuando el ancho de la aleta se mantiene en 0,5 mm, con el menor costo de material. Con el aumento del número de aletas de refrigeración, la temperatura de los componentes disminuye.
La temperatura desciende en la mayor medida, más de 5 °C, cuando la longitud de las aletas está en el rango de 20 mm a 30 mm. La temperatura desciende en menor medida, aproximadamente 2 °C o menos, cuando la longitud de las aletas está en el rango de 30 mm a 40 mm. Por lo tanto, la reducción de la diferencia de temperatura es relativamente grande cuando se eligen aletas con una longitud de 20 mm a 30 mm, con un costo relativamente bajo. Teniendo en cuenta que las aletas de refrigeración de la PCB no pueden ser ni demasiado largas ni demasiado anchas, es adecuado elegir aletas con un ancho de 0,5 mm y una longitud de 30 mm.
La Figura 7 es el gráfico de la distribución de temperatura de la simulación de la PCB sin cobre enterrado, mientras que la Figura 8 es el gráfico de la distribución de temperatura de la simulación de la PCB con aletas cuya longitud es de 30 mm y ancho de 0,5 mm.
Según las dos figuras, se puede saber que la temperatura más alta desciende de 108,4 °C a 88,6 °C, con una reducción del 18,5 %. La temperatura más baja desciende de 98,3 °C a 83,2 °C, con una reducción del 15,3 %. Basado en la comparación del campo de temperatura entre la Figura 7 y la Figura 8, la PCB con cobre enterrado es capaz de ayudar a que el campo de temperatura se distribuya de manera uniforme y de reducir la diferencia de temperatura de las placas, de modo que se puedan evitar los puntos calientes. La PCB con cobre enterrado reduce la temperatura de los componentes, lo cual es beneficioso para la mejora de la disipación térmica de los componentes en la PCB, de modo que la fiabilidad de los componentes aumentará considerablemente.
A medida que la electrónica mejora y los tamaños disminuyen, es necesario un control térmico adecuado en las PCB para garantizar el rendimiento y la fiabilidad. Nuevos métodos, como el uso de cobre enterrado y aletas de refrigeración optimizadas, reducen de manera eficiente la temperatura de los componentes y proporcionan una distribución de calor adecuada sin generar puntos calientes. Estos nuevos métodos aumentan la vida útil de los dispositivos electrónicos al proporcionar condiciones de funcionamiento óptimas.
PCBCart es especialista en la fabricación de PCBs de alta gama, utilizando las técnicas de gestión térmica más avanzadas para ofrecer productos de alto rendimiento y gran fiabilidad. Nuestra experiencia garantiza soluciones a medida para una disipación de calor eficaz. Colabore con nosotros para obtener PCBs diseñadas con precisión. Solicite una cotización hoy mismo para liberar el potencial de su diseño.
Obtén tu cotización personalizada de PCB con las soluciones expertas de PCBCart
