Uma abordagem para gerenciamento térmico de PCBs de alta potência
Os projetistas enfrentam problemas complexos para atender aos requisitos de energia, que incluem gerenciamento térmico eficaz, começando com o projeto do PCB.
Todo o setor de eletrônica de potência, incluindo aplicações de RF e sistemas envolvendo sinais de alta velocidade, está evoluindo para soluções que oferecem funcionalidades cada vez mais complexas em espaços cada vez menores. Os projetistas enfrentam desafios cada vez mais exigentes para atender aos requisitos de tamanho, peso e energia do sistema, que incluem gerenciamento térmico eficaz, começando com o projeto da placa de circuito impresso.
Dispositivos de energia ativa de alta densidade de integração, como transistores MOSFET, podem dissipar uma quantidade significativa de calor e, portanto, requerem PCBs que possam transferir calor dos componentes mais quentes para planos de aterramento ou superfícies de dissipação de calor, operando da maneira mais eficiente e eficaz possível. O estresse térmico é uma das principais causas de mau funcionamento dos dispositivos de energia, pois leva a uma degradação do desempenho ou mesmo a um possível mau funcionamento ou falha do sistema. O rápido crescimento da densidade de potência dos dispositivos e o aumento constante das frequências são os principais motivos que causam o aquecimento excessivo dos componentes eletrônicos. O uso cada vez mais difundido de semicondutores com perdas de energia reduzidas e melhor condutividade térmica, como materiais de largura de banda larga, não é por si só suficiente para eliminar a necessidade de gerenciamento térmico eficaz.
Os atuais dispositivos de energia baseados em silício atingem uma temperatura de junção entre cerca de 125˚C e 200˚C. No entanto, é sempre preferível fazer o dispositivo funcionar abaixo deste limite, pois isso levaria a uma rápida degradação do mesmo e a uma redução da sua vida residual. De fato, estima-se que um aumento de 20˚C na temperatura operacional, causado por gerenciamento térmico inadequado, pode reduzir a vida residual dos componentes em até 50 por cento.
Abordagem de layout:
Uma abordagem de gerenciamento térmico comumente seguida em muitos projetos é usar substratos com retardador de chama padrão Nível 4 (FR-4), um material barato e facilmente trabalhável, com foco na otimização térmica do layout do circuito.
As principais medidas adotadas dizem respeito ao fornecimento de superfícies adicionais de cobre, ao uso de tirantes com maior espessura e à inserção de via térmica sob os componentes que geram maior quantidade de calor. Uma técnica mais agressiva, capaz de dissipar uma maior quantidade de calor, consiste em inserir na placa de circuito impresso ou aplicar nas camadas mais externas blocos de cobre reais, normalmente em forma de moeda (daí o nome "moedas de cobre"). As moedas de cobre são processadas separadamente e depois soldadas ou conectadas diretamente ao PCB, ou podem ser inseridas nas camadas internas e conectadas às camadas externas por meio de vias térmicas. A Figura 1 mostra uma placa de circuito impresso na qual foi feita uma cavidade especial para abrigar uma moeda de cobre.
O cobre tem um coeficiente de condutividade térmica de 380 W/mK, em comparação com 225 W/mK para o alumínio e 0,3 W/mK para FR-4. O cobre é um metal relativamente barato e já amplamente utilizado na fabricação de PCB; portanto, é a escolha ideal para fazer moedas de cobre, vias térmicas e planos de terra, soluções capazes de melhorar a dissipação de calor.
O posicionamento adequado dos componentes ativos na placa é um fator crucial para evitar a formação de pontos quentes, garantindo assim que o calor seja distribuído o mais uniformemente possível ao longo de toda a placa. Nesse sentido, os componentes ativos devem ser distribuídos sem nenhuma ordem específica ao redor do PCB para evitar a formação de pontos quentes em uma área específica. No entanto, é melhor evitar colocar componentes ativos que geram uma quantidade significativa de calor perto das bordas da placa. Por outro lado, devem ser posicionados o mais próximo possível do centro da tábua, favorecendo uma distribuição uniforme do calor. Se um dispositivo de alta potência for montado próximo à borda da placa, ele acumulará calor na borda, aumentando a temperatura local. Se, por outro lado, for colocado próximo ao centro da placa, o calor se dissipará na superfície em todas as direções, reduzindo a temperatura e dissipando o calor com mais facilidade. Dispositivos de energia não devem ser colocados perto de componentes sensíveis e devem ser espaçados adequadamente uns dos outros.
Seleção de substrato de PCB:
Devido à sua baixa condutividade térmica — entre {{0}},2 e 0,5 W/mK — FR-4 geralmente não é adequado para aplicações nas quais uma grande quantidade de calor precisa ser dissipada. O calor que pode se acumular em circuitos de alta potência é considerável, agravado pelo fato de que esses sistemas geralmente operam em ambientes hostis e temperaturas extremas. Usar um material de substrato alternativo com maior condutividade térmica pode ser uma escolha melhor do que usar o tradicional FR-4.
Os materiais cerâmicos, por exemplo, oferecem vantagens significativas para o gerenciamento térmico de PCBs de alta potência. Além da melhor condutividade térmica, esses materiais oferecem excelentes propriedades mecânicas que ajudam a compensar o estresse acumulado durante repetidos ciclos térmicos. Além disso, os materiais cerâmicos apresentam menores perdas dielétricas operando em frequências de até 10 GHz. Para frequências mais altas, é sempre possível optar por materiais híbridos (como o PTFE), que oferecem perdas igualmente baixas com uma modesta redução na condutividade térmica.
Quanto maior a condutividade térmica de um material, mais rápida a transferência de calor. Conclui-se que metais como o alumínio, além de serem mais leves que a cerâmica, oferecem uma excelente solução para a transferência de calor dos componentes. O alumínio, em particular, é um excelente condutor, tem excelente durabilidade, é reciclável e não é tóxico. Graças à sua alta condutividade térmica, as camadas de metal ajudam a transferir rapidamente o calor por toda a placa. Alguns fabricantes também oferecem PCBs revestidos de metal, em que ambas as camadas externas são revestidas de metal, normalmente alumínio ou cobre galvanizado. Do ponto de vista do custo por unidade de peso, o alumínio é a melhor escolha, enquanto o cobre oferece maior condutividade térmica. O alumínio é amplamente utilizado para a construção de PCBs que suportam LEDs de alta potência (um exemplo é mostrado na Figura 2), em que também é particularmente útil por sua capacidade de refletir a luz para longe do substrato.
PCBs de metal, também conhecidos como substratos metálicos isolantes (IMS), podem ser laminados diretamente no PCB, resultando em uma placa com substratos FR-4 e núcleo de metal com tecnologia de camada única e camada dupla com roteamento de controle de profundidade, que serve para transferir o calor dos componentes a bordo e para áreas menos críticas. Nos PCBs IMS, uma fina camada de dielétrico termicamente condutor, mas eletricamente isolante, é laminada entre uma base de metal e uma folha de cobre. A folha de cobre é gravada no padrão de circuito desejado e a base de metal absorve o calor deste circuito através do dielétrico fino.
As principais vantagens oferecidas pelos PCBs IMS são as seguintes:
1. A dissipação de calor é significativamente maior do que FR padrão-4 coinstruções.
2. Os dielétricos são tipicamente 5× a 10× mais termicamente condutivos do que o vidro epóxi normal.
3. A transferência térmica é exponencialmente mais eficiente do que em um PCB convencional.
4. Além da tecnologia LED (sinais luminosos, displays e iluminação), as placas de circuito IMS são amplamente utilizadas na indústria automotiva (faróis, controle do motor e direção hidráulica), em eletrônica de potência (fonte de alimentação CC, inversores e controle do motor) , em interruptores e em relés semicondutores.
