Dominando o Projeto Térmico de PCB: Princípios Essenciais para Confiabilidade

Estima-se que mais da metade dos componentes eletrônicos falhe devido a alto estresse resultante do ambiente térmico. Anos recentes testemunharam ampla aplicação de circuitos integrados (CIs) de grande e hiper escala e tecnologia de montagem em superfície (SMT), e produtos eletrônicos abraçam direções de miniaturização, alta densidade e alta confiabilidade. Consequentemente, sistemas eletrônicos exigem requisitos cada vez maiores de desempenho térmico. Afinal, nascida com o advento de produtos eletrônicos, gestão térmica desempenha papel crítico na determinação do desempenho e funções de sistemas eletrônicos.

Como espinha dorsal de dispositivos eletrônicos, projeto racional de PCBs (Placas de Circuito Impresso) garante alto desempenho. Se projeto falha parcial ou totalmente em atender requisito térmico, dispositivos sofrerão risco de dano ou falha. Crescente integridade de módulos de circuito e aplicações massivas de CIs e módulos multi-chip (MCM) melhoram densidade de montagem, levando a maior densidade de fluxo de calor nas PCBs. PCBs de alta qualidade não derivam apenas de layout e roteamento precisos, mas também dependem de alta confiabilidade térmica para operação segura. Portanto, é significativo implementar regras abrangentes de dissipação térmica e análise em PCBs. Este artigo começa com princípios iniciais de projeto térmico e introduz regras amigáveis ao engenheiro para aplicação prática por projetistas eletrônicos.

Princípios Básicos de Projeto Térmico

Projeto térmico baseia-se na teoria básica de transferência de calor e mecânica dos fluidos. Onde há diferença de temperatura, há transferência de calor de zona quente para fria. Transferência ocorre por condução, convecção e radiação.

Fórmula de transferência de calor: Φ = K A Δt, onde Φ é quantidade de transmissão de calor (W), K coeficiente de transmissão (W/(m²·K)), A área de transmissão (m²) e Δt diferença de temperatura entre fluido térmico e frio (K).

Projeto térmico de PCBs é definido como processo no qual resistência térmica de fonte de calor a espaço de consumo é diminuída ao mínimo através de medidas de resfriamento por atributos de transmissão térmica ou densidade de fluido térmico controlada em faixa aceitável. Para garantir confiabilidade, medidas válidas devem ser tomadas nas perspectivas:

• a. Resfriamento natural, conduz calor sem força externa. Inclui condução, radiação e convecção natural.
• b. Resfriamento forçado a ar. Faz ar fluir através de dispositivos/componentes, transferindo calor de fonte a dissipador através de ventilador ou ar ram.
• c. Resfriamento por fluido. Dois métodos:
  • 1) Resfriamento direto: componentes imersos diretamente no fluido refrigerante.
  • 2) Resfriamento indireto: componentes não tocam fluido diretamente; resfriamento via trocador de calor ou chapa fria.
• d. Resfriamento por evaporação. Atualmente, método mais eficaz de condução. Transmissão obtida por ebulição do meio refrigerante.
• e. Outras medidas: heat pipe (tubo de calor), chapa fria, refrigeração termoelétrica.

No gerenciamento térmico, medidas adequadas podem ser feitas conforme condições práticas: ambiente de operação (temperatura, umidade, pressão, poeira), densidade de fluido térmico na placa, densidade de potência e consumo total, área superficial, volume, dissipador e outras condições especiais, para garantir distribuição uniforme de temperatura e elevação razoável dentro do limite regulado.

Regras de Projeto Térmico

Objetivo geral: controlar temperatura de todos os componentes montados na PCB dentro de produtos eletrônicos, garantir estabilidade de desempenho elétrico, evitar ou reduzir deriva térmica de parâmetros, diminuir taxa básica de falha e fazer temperatura do ambiente não exceder máxima permitida. Este artigo descreve regras em 3 perspectivas: utilização de componentes, projeto térmico de PCBs, montagem e layout.

a. Utilização de Componentes Eletrônicos

1) Como controlar temperatura de trabalho dos componentes?

Temperatura é o primeiro elemento afetando desempenho e taxa de falha. Temperatura máxima permitida e consumo de potência devem ser determinados conforme nível de confiabilidade requerido e taxa de falha distribuída de cada componente. Tabela 1 mostra valores de temperatura superficial máxima permitida dos componentes na perspectiva de confiabilidade no projeto térmico.

Componentes	Temp. Máx. Superfície/°C	Componentes	Temp. Máx. Superfície/°C
Transformador, choke	95	Capacitor cerâmico	80–85
Resistor filme metálico	100	Capacitor cerâmico de vidro	200
Resistor filme de carbono	120	Transistor silício	150–200
Resistor filme de paládio	200	Transistor germânio	70–90
Resistor fio enrolado prensado	150	Válvula a vácuo	15–200
Resistor impresso	85	CI CMOS flat package selado	125
Resistor fio enrolado pintado	225	CI DIP cerâmico, porcelana preta	/
Capacitor papel	75–85	CI CMOS DIP plástico	85
Capacitor filme	60–130	CI TTL pequena escala	25–125
Capacitor mica	70–120	CI TTL média escala	70–85

2) Como controlar temperatura de junção do componente?

Temperatura de junção depende de consumo próprio, resistência térmica e temperatura ambiente. Medidas para controlá-la em faixa permitida:

• Componentes com baixa resistência térmica interna são escolhidos.
• Derating (desclassificação) é usado para diminuir elevação de temperatura.
• Circuitos, especialmente com componentes de potência, devem depender de projeto térmico elaborado para confiabilidade com diretrizes de manuais padrão.

3) Como projetar derating quando componentes são usados?

Baseado em necessidades, derating pode ser implementado na prática para fazer componentes operarem abaixo de parâmetro nominal (potência, tensão, corrente) para reduzir drasticamente elevação de temperatura e taxa de falha.

b. Regras de Projeto Térmico de PCBs

Montagem vertical de PCBs beneficia dissipação e distância entre placas deve ser mantida em pelo menos 20 mm. Regras incluem:

1. Material com capacidade anti-alta temperatura e alto parâmetro de condução é escolhido como substrato. Para circuitos de alta potência e densidade, base de alumínio e cerâmica podem ser usadas devido à baixa resistência térmica (PCBCart fabrica PCBs com esses substratos. Envie arquivos com quantidade para orçamento de PCBs base alumínio e cerâmica).
2. Estrutura multicamadas é escolha ótima para dissipação térmica.
3. Para melhorar condução de calor, use placas dissipadoras. Placa com núcleo metálico (metal-core) em multicamadas obtém excelente dissipação entre placa, dispositivos de suporte e dissipadores. Revestimento protetor e material encapsulante podem acelerar transmissão térmica.

4. Para aumentar dissipação, barramento (busbar) pode ser usado, excelente radiador e capaz de aumentar anti-interferência.
5. Para melhorar dissipação, espessura de folha metálica deve ser aumentada e condutor interno usar folha com grande área. Além disso, largura de linhas de terra deve ser aumentada adequadamente, pois linhas com grande área aumentam anti-interferência e capacidade de dissipação.

c. Montagem de Componentes e Layout de PCB

Layout é essencial para desempenho térmico, especialmente em placas colocadas verticalmente. Direção de montagem deve conformar-se a características de fluxo de refrigerante para dar menor resistência. Regras aplicáveis:

1. Para produtos com convecção livre, melhor arranjar CIs ou componentes longitudinalmente (Figura 2). Para resfriamento forçado, arranjo transversal (Figura 3).

2. Componentes na mesma PCB devem ser classificados e colocados conforme produtividade de calor e nível de dissipação. Componentes de baixa produtividade ou baixa resistência (transistor pequeno sinal, CI pequena escala, capacitor eletrolítico) no upstream (entrada); alta produtividade ou alta resistência (transistor frequência, CI hiper escala) no downstream. Na periferia de amplificadores de pequeno sinal, componentes com baixo desvio térmico; capacitores de meio líquido longe de fonte de calor.
3. Horizontalmente, componentes de alta frequência adjacentes à borda para minimizar caminho de transmissão de calor. Verticalmente, próximos à parte superior para diminuir influência na temperatura de outros.
4. Componentes sensíveis à temperatura na área de menor temperatura (ex.: fundo do produto). Não devem ficar acima de componentes geradores de calor e devem ser afastados ou isolados.
5. Componentes com maior consumo e geração de calor adjacentes ao melhor local de dissipação. Nunca componentes de alta temperatura em canto ou borda, a menos que radiadores estejam ao redor. Ao arranjar resistores de potência, componentes relativamente grandes devem ser escolhidos e espaço suficiente de dissipação deixado no layout.
6. Potência deve ser distribuída uniformemente na PCB para manter equilíbrio e evitar concentração de pontos de calor. Uniformidade estrita é difícil, mas áreas com potência extremamente alta devem ser evitadas para não quebrar operação normal.
7. No projeto, caminho de fluxo de ar deve ser considerado plenamente e componentes razoavelmente arranjados. Ar flui para onde há pouca resistência, então espaços de ar relativamente grandes devem ser evitados ao arranjar componentes.
8. Tecnologia de montagem térmica deve ser aplicada para bom efeito de transmissão. Mais de metade do calor de CIs e microprocessadores transmite à PCB através de seus terminais; furos de montagem devem usar furos metalizados. Componentes também podem ser montados diretamente em bastão ou placa de condução térmica para reduzir resistência térmica.
9. Resistência térmica deve ser diminuída ao máximo nas conexões entre componentes de alta dissipação e PCBs. Para atender requisitos de atributos térmicos, materiais de condução podem ser usados sob o chip e dissipação na área de contato mantida.
10. Pinos de componentes devem ser encurtados na conexão com PCBs. Ao selecionar componentes de alto consumo, condutividade do material do terminal deve ser considerada. Se possível, escolha componentes com terminais de maior seção transversal e mais pinos.

d. Outros Requisitos

1. Encapsulamento: tipo e taxa de condução de calor devem ser considerados. Caminho de condução entre substrato e encapsulamento deve ser fornecido e quebra de ar evitada no caminho.
2. Método Técnico: alta temperatura local pode ocorrer em áreas com componentes em ambos os lados. Para mudar condição de dissipação, cobre fino pode ser adicionado na pasta de solda para que pontos subam sob componentes. Espaço de ar aumenta entre componente e PCB, melhorando convecção térmica.
3. Furos de Dissipação: furos de dissipação e cegos podem ser arranjados para aumentar área de dissipação, diminuir resistência térmica e aumentar densidade de potência.

Análise Térmica

Baseada em transferência computacional de calor, análise térmica cujos métodos numéricos incluem método de diferenças finitas, elementos finitos e elementos de contorno, referindo-se a simplificação de módulos, estabelecimento de modelos matemáticos, resolução de equações não-lineares, elaboração e ajuste de procedimento analítico e computação, medição e teste de parâmetros térmicos.

Como aspecto fundamental do projeto térmico, análise é método importante de avaliar importância do projeto. Análise térmica de PCB refere-se a estabelecer modelo térmico de componentes e definir parâmetros de simulação conforme estrutura e matéria-prima da PCB, tipo de encapsulamento e ambiente operacional para estimar valores de comportamentos térmicos. Análise deve ser realizada na fase de conceito antes do layout e durante todo o processo de projeto.

Valores de temperatura de componente, placa e fluxo de ar podem ser obtidos, exibindo atributos térmicos na forma de imagens coloridas, gráficos de isotermas ou dados específicos.

Baseado no resultado, problemas térmicos são encontrados rapidamente e medidas tomadas oportunamente, eliminando áreas de alta densidade de temperatura, determinando caminho de condução, otimizando posições de componentes-chave, formato e tamanho de radiador para aproveitar taxa de dissipação, aumentar eficiência de furos e radiadores e determinar espaçamento entre placas e componentes.

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