El aumento de las especificaciones de los productos electrónicos conduce a amplias aplicaciones de circuitos integrados (IC) de gran escala yEnsamblaje de tecnología de montaje superficial (SMT)en los modernos servicios de fabricación de productos electrónicos. Además, los circuitos han ido avanzando hacia la miniaturización, el peso ligero, las múltiples funciones, el alto rendimiento, la alta velocidad y la alta fiabilidad. La expansión constante de la densidad de componentes provoca un aumento gradual de la densidad de flujo de calor. En lo que respecta a los dispositivos semiconductores, temperaturas demasiado altas posiblemente conducirán a variaciones en el rendimiento eléctrico. Siempre que Tjla temperatura de unión aumenta una vez, se producirá una ruptura térmica si es grave. Si los problemas térmicos no se resuelven adecuadamente, las especificaciones de los componentes sin duda sufrirán inestabilidad, reduciendo aún más la estabilidad y la fiabilidad de los productos, dejando sus misiones en el aire. En conclusión, los problemas térmicos de las placas de circuito impreso (PCB) son tan prominentes que se les debe prestar especial atención por el bien del alto rendimiento de los productos electrónicos.
Hasta ahora, los métodos de disipación térmica utilizados por los circuitos de alta tecnología difícilmente pueden satisfacer las exigencias de disipación térmica impuestas por los circuitos posteriores, lo que requiere un nuevo tipo de solución térmica. Basado en el análisis de algunos métodos de disipación térmica prevalentes utilizados en productos electrónicos,PCB de núcleo metálico (MCPCB)se introduce como una solución a los problemas térmicos en circuitos avanzados.
El calor generado por el circuito proviene principalmente del calor de los componentes, el calor de la placa PCB y el calor resultante de la conducción externa, entre los cuales el calor de los componentes representa la mayor parte. Por lo tanto, el problema de la disipación térmica de los componentes recibe la mayor atención durante la disposición de los componentes y el diseño de la PCB. La resistencia térmica desempeña un papel significativo en el diseño térmico y el objetivo del diseño térmico es reducir la resistencia térmica a lo largo de la ruta de conducción del calor, de modo que el calor se conduzca rápidamente hacia el disipador, como un radiador. La resistencia térmica total entre el componente electrónico y el disipador puede clasificarse en nivel de dispositivo, nivel de ensamblaje y nivel de sistema. La resistencia térmica a nivel de dispositivo también se denomina resistencia interna, mientras que la resistencia a nivel de ensamblaje se denomina resistencia externa y la resistencia a nivel de sistema se denomina resistencia final. Relación entre la resistencia interna y externa y Tjde componentes es equivalente a la existente entre el componente Tjy resistencia térmica, de acuerdo con la siguiente fórmula:
Tj=Pdx (Rjc+Rcs+Rsa)+T0
En esta fórmula, Tjse refiere a la temperatura de unión del componente; Pdse refiere a la potencia del dispositivo; Rjc, Rcsy Rsase refieren respectivamente a la resistencia térmica desde la unión hasta la carcasa, de la carcasa al disipador de calor y del disipador de calor al aparato completo. T0se refiere a la temperatura inicial y a Rjces un valor característico fijo. Por lo tanto, la reducción de la resistencia térmica solo puede lograrse desde las perspectivas de Rcsy Rsa.
Los modos de ensamblaje de los dispositivos desempeñan un papel importante en la disipación térmica y los distintos tipos de modos de ensamblaje requieren diferentes métodos de disipación térmica.
• Estructura de la Plataforma Convexa
Cuando la carcasa del componente entra en contacto directo con la placa de circuito y se ensambla en la parte frontal, se debe aprovechar la plataforma convexa de la placa de cubierta para la disipación térmica. La disipación térmica mediante plataforma convexa se refiere al proceso en el que se añade una plataforma convexa de disipación térmica a la placa de cubierta correspondiente, de acuerdo con las posiciones del disipador de calor en el circuito, utilizando una almohadilla aislante térmicamente conductora para entrar en contacto con la plataforma convexa.
Este modo de disipación térmica requiere un trabajo cooperativo entre el diseño de la estructura y de la placa de circuito impreso (PCB). La cantidad, posición, altura y área de las plataformas convexas, así como el grosor de la almohadilla termo-conductora, están estrechamente relacionados con el rendimiento de la placa de circuito. Además, también debe tenerse en cuenta la desviación de ensamblaje. Por lo tanto, este modo genera muchas dificultades para el diseño de PCB, la fabricación de PCB y el ensamblaje de PCB (PCBA).
• Cinta térmicamente conductora
Si los pines del componente se sueldan directamente en la placa PCB sin que la carcasa del componente esté en contacto directo con la placa de circuito, se puede utilizar cinta térmicamente conductora para la disipación de calor. La cinta térmicamente conductora suele estar hecha de cobre y presenta dos tipos de montaje. Uno consiste en montar la cinta térmicamente conductora sobre la parte superior del componente, con el otro extremo conectado al disipador de calor. El otro consiste en montar los componentes en la placa de circuito a través de la cinta térmicamente conductora, con el otro extremo conectado al disipador de calor. Este último modo de disipación de calor se implementa principalmente por la parte inferior. Entre el componente y la cinta térmicamente conductora se puede utilizar una alfombrilla adhesiva aislante térmicamente conductora.
Este modo requiere el ensamblaje estructural entre los componentes y la cinta térmicamente conductora, que deben mantener un buen contacto tanto con la almohadilla térmicamente conductora como con los componentes y no deben imponer un esfuerzo excesivo sobre las patillas de los componentes. Para fijar la cinta térmicamente conductora, deben hacerse orificios de ubicación fijos en la placa de circuito, de modo que el trazado y el diseño del PCB se vean gravemente afectados. Por lo tanto, este modo no funciona paraPCB de alta densidad.
Además, los pines de los componentes se verán afectados cuando la cinta conductora térmica vibre, lo cual debe considerarse cuidadosamente.
• Thermotubo
El termotubo aprovecha la refrigeración por evaporación con una diferencia de temperatura extremadamente grande entre sus dos extremos, de modo que el calor puede conducirse rápidamente. En términos generales, el termotubo está compuesto por la carcasa del tubo, la mecha y la tapa terminal. El interior del termotubo presenta un estado de presión negativa, lleno con cierto líquido de bajo punto de ebullición. Además, este tipo de líquido se volatiliza fácilmente. En la pared del tubo hay un núcleo de absorción de líquido, hecho de material capilar. Un extremo del termotubo se utiliza para la evaporación y el otro para la condensación. Cuando la parte de evaporación del termotubo se calienta, el líquido en el capilar se evapora instantáneamente y el vapor fluye hacia la otra parte bajo microesfuerzo, liberando calor y volviéndose a condensar en líquido, que regresará a la parte de evaporación del termotubo bajo la acción de la fuerza capilar.
Aunque el termotubo presenta una capacidad de disipación térmica extraordinaria, aún no se ha desarrollado lo suficientemente como para ser aceptado en componentes pequeños. Por lo tanto, todavía queda un largo camino por recorrer para que el termotubo se utilice en la disipación térmica de las placas PCB.
• Introducción de MCPCB
Junto con el constante desarrollo y optimización de la ciencia de materiales y las tecnologías de procesamiento, las MCPCB se han aplicado ampliamente en Estados Unidos y Japón. Bajo un entorno de aplicación externa equivalente, las MCPCB presentan un rendimiento mucho más sobresaliente que cualquier otro tipo de placa PCB en la disipación térmica, representando un alto nivel en el ensamblaje de dispositivos electrónicos de alta potencia a nivel mundial.
Las MCPCB aprovechan el metal con conductividad térmica, como el cobre, en alguna capa de una PCB multicapa. Las MCPCB disipan el calor externamente a través del núcleo metálico o realizan una rápida disipación térmica al conectarse con un disipador de calor externo. Cuando se trata de circuitos de alta densidad, placas PCB compatibles con montaje SMT o circuitos con tantos componentes de orificio pasante ensamblados, es necesario elegir MCPCB con alta conductividad térmica. Primero se incrusta un núcleo metálico con buena disipación térmica en una PCB multicapa, cuyas capas pueden conectarse mediante orificios metalizados que pueden conducir el calor al núcleo metálico y a su superficie. La estructura de la MCPCB puede verse en la siguiente figura.
• Méritos de la MCPCB
En comparación con los modos tradicionales de disipación térmica, las MCPCB presentan ventajas inigualables en la disipación del calor. Las MCPCB pueden mejorar la densidad de potencia de los productos y reducir la necesidad de ensamblar radiadores y otros componentes de hardware. Además, el volumen del producto puede reducirse mientras disminuyen los costos de hardware y ensamblaje. Por último, las MCPCB desempeñan un papel activo en el aumento de la fiabilidad de los productos y en el blindaje de las ondas electromagnéticas, reduciendo la interferencia electromagnética.
Debido a la alta densidad de cobre, las MCPCB presentan una calidad claramente superior a cualquier otro tipo de PCB. Sin embargo, la aplicación de MCPCB no supondrá un mayor peso debido al menor uso de disipadores y accesorios que normalmente se incorporan en otros tipos de PCB. Se pueden seguir dos consejos relacionados con las MCPCB a la hora de decidirse por ellas:
Consejo n.º 1: Se debe seleccionar un espesor de núcleo de cobre adecuado.
Consejo n.º 2: También se puede seleccionar una PCB con núcleo de aluminio.
