Projeto Térmico Especializado de PCI: Dicas Práticas para Gestão de Calor

Com componentes de potência chegando em encapsulamentos de montagem superficial cada vez menores, é importante desenvolver uma abordagem coerente para mitigar as demandas de dissipação térmica desses componentes em um projeto de PCI. Embora o desenvolvimento de uma análise matemática exata das características térmicas de um projeto de PCI possa ser um processo complexo, é possível aplicar algumas regras simples para melhorar a condução térmica do seu projeto. Em última análise, controlar adequadamente a dissipação de calor no seu projeto permitirá produzir um projeto de PCI mais confiável e econômico. O que segue é uma breve discussão do modelo padrão de dissipação térmica e, em seguida, algumas regras gerais para lidar com dissipação térmica nos seus projetos.

Primeiro, é importante definir a terminologia que será usada no restante deste artigo. A próxima figura apresenta os diferentes componentes de um CI de potência que devemos considerar ao discutir gerenciamento térmico. Discutiremos a temperatura da Junção (Junction), Topo (Top) e Invólucro (Case) do componente e suas resistências térmicas ao ambiente ao longo deste artigo.

Com esses termos em mãos, examinaremos brevemente o modelo padrão usado para simular a dissipação térmica de um componente. A resistência térmica é normalmente modelada como uma rede de resistores. O modelo padrão para um componente é apresentado na figura a seguir:

Na figura apresentada, T_J é definida como a temperatura da junção (a parte interna de trabalho do componente), T_T é a temperatura do "topo" do encapsulamento (tipicamente o invólucro plástico do componente), T_C é a temperatura do "invólucro" (esta é a temperatura dos pads altamente condutores termicamente do componente e da PCI anexada) e T_A é a temperatura do ambiente. O objetivo do projetista eletrônico é então produzir a menor resistência térmica possível entre a junção e o ambiente. Com exceção de θ_CA, as resistências térmicas do sistema (θ_JT, θ_TA e θ_JC) são definidas pelas propriedades do componente e podem ser obtidas na folha de dados do referido componente. Como projetista de PCI, temos influência principal sobre o valor de θ_CA, que depende do nosso projeto de PCI. Como tal, o desafio principal para o projetista é a redução da resistência térmica do invólucro do CI para o ambiente, reduzindo essa resistência. O quão bem conseguimos baixar essa resistência térmica (θ_CA) definirá largamente o diferencial de temperatura (ou falta dele) que se desenvolverá entre o ambiente e a junção do componente.

Vale notar que o outro caminho para condução térmica é o invólucro plástico (ou o "topo") do componente. Como o encapsulamento plástico da maioria dos componentes de potência não fornece um bom caminho térmico para o ambiente, a eficiência de dissipação térmica do projeto depende mais fortemente da capacidade do projeto de dissipar energia térmica para o ambiente circundante através de seu invólucro. A única exceção é quando o CI de potência em questão é projetado com um pad térmico localizado no topo do componente. Nesse caso, o CI é projetado para ter um dissipador de calor anexado diretamente ao topo do CI e a dissipação térmica do componente através de seu "topo" torna-se um fator muito mais importante no projeto.

A abordagem padrão para transferir calor para longe de componentes de potência é através da conexão térmica dos componentes de potência a planos de cobre adjacentes por meio de vias térmicas. Isso é tipicamente alcançado colocando várias vias no footprint do CI de potência. Essas vias fornecem uma conexão térmica às camadas de cobre abaixo do CI, que então conduzem o calor para longe do componente.

Além disso, quanto mais planos de cobre de potência conectados ao CI de potência por essas vias térmicas, maior a eficiência de dissipação térmica da PCI. Por exemplo, usar um projeto de 4 camadas vs. um de 2 camadas pode aumentar a capacidade de dissipação de potência da PCI em até 30% ao comparar a mesma área desses projetos.

As seguintes regras de projeto são fornecidas como um bom ponto de partida para abordar as considerações térmicas do seu projeto.

a. Para dissipar 1 watt de potência, uma boa regra prática é que sua placa precisará ter uma área de 15,3 cm² ou 2,4 in² por watt dissipado para um aumento de 40°C na temperatura da placa. Se a placa estiver sujeita a fluxo de ar, esse requisito pode ser reduzido pela metade (7,7 cm² ou 1,2 in² por watt). Esses valores assumem que o componente está termicamente acoplado a um plano de cobre que se estende até as bordas da placa e que a placa está posicionada de modo que o ar possa fluir livremente ao redor de ambos os lados da placa. Se esses requisitos de densidade de potência forem muito restritivos para o seu projeto, a inclusão de um dissipador de calor externo pode ser necessária. Além disso, um aumento de temperatura de 40°C é um bom ponto de partida a considerar ao controlar a temperatura do seu circuito impresso.

b. Sempre que houver mais de um componente de potência sendo colocado em uma placa, é prática recomendada posicionar esses componentes de forma que sua PCI seja aquecida uniformemente por esses componentes. Grandes diferenças de temperatura ao longo do comprimento do seu projeto de PCI não permitem que sua PCI traduza de forma ótima a energia térmica para longe dos componentes de potência montados. Se disponível para o projetista, imagem térmica pode permitir a inspeção empírica do posicionamento dos componentes uma vez que uma revisão do projeto esteja completa.

c. Quanto mais vias você puder colocar abaixo do seu componente, melhor sua PCI traduzirá energia térmica para o plano de cobre conectado. Organize vias em array para aumentar o número em contato com os pads de potência do seu encapsulamento (os grandes pads condutores termicamente do componente).

d. Em projetos que dissipam potências mais altas, você precisará usar pesos de cobre mais altos. Cobre de 1oz é recomendado como ponto de partida para projetos de potência.

e. Ao utilizar um pour de cobre para dissipar energia térmica para longe de um componente, é importante que o pour não seja interrompido por trilhas que corram perpendiculares ao caminho térmico para longe do componente de potência.

f. Se um dissipador de calor precisar ser utilizado para manter a temperatura do sistema dentro da tolerância, vale notar que o dissipador será tipicamente muito mais eficaz se posicionado de forma que esteja termicamente conectado ao invólucro do componente. Isso tipicamente significa anexar o dissipador de calor ao lado oposto da placa de um componente de montagem superficial. Embora possa ser tentador colocar um dissipador de calor diretamente no topo do componente, a resistência térmica do invólucro plástico do componente tornará o dissipador ineficaz. Como observado acima, as exceções a esta regra são encapsulamentos explicitamente projetados para ter dissipadores de calor anexados aos seus "topos".

Em resumo, o desempenho térmico de um projeto é muito importante a considerar sempre que você estiver trabalhando com componentes de potência. Usar as regras de projeto apresentadas neste artigo no início do processo de projeto da sua PCI permitirá que você tenha uma boa vantagem no controle da temperatura da sua PCI e evite redesenhos drásticos mais tarde no processo de desenvolvimento.

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