Otimizando a Dissipação Térmica Interna de PCB Através de Modelagem Térmica Avançada

O rápido desenvolvimento da tecnologia eletrônica leva a melhoria instantânea em termos de velocidade computacional, frequência computacional e integridade de produtos eletrônicos. Além disso, com o volume de produtos eletrônicos encolhendo, a densidade de potência volumétrica está se tornando cada vez mais alta. Ademais, a orientação de desenvolvimento de espessura, leveza e miniaturização fazem com que componentes eletrônicos apresentem valor calorífico de unidade de volume crescente. Com a atualização de produtos eletrônicos, sua confiabilidade é gravemente influenciada como resultado do rápido aumento da densidade de fluxo de calor em PCBs. Segundo o princípio dos 10 graus, cada vez que a temperatura sobe 10 graus Celsius, parte dos parâmetros de alguns componentes diminui pela metade. Baseado em uma pesquisa, 55% dos dispositivos eletrônicos são danificados porque a temperatura excede o valor nominal dos componentes. Portanto, layout razoável de componentes e dissipação térmica de PCB têm sido os principais elementos que engenheiros devem considerar.

O design térmico de produtos eletrônicos é geralmente dividido nos seguintes níveis: nível de sistema, nível de placa e nível de encapsulamento. Design térmico de nível de placa refere-se ao design térmico de radiador, estêncil eletrônico e PCB. Este artigo fornecerá um novo método de dissipação de calor que faz o calor na base dos componentes ser rapidamente transmitido para o exterior e aumenta a área de dissipação térmica dos componentes sem influenciar o layout do PCB, visando reduzir a temperatura dos componentes e a diferença de temperatura. Comparado com o método tradicional de dissipação térmica, este novo método tem alguns atributos incluindo múltiplas estruturas de dissipação térmica, redução de tensão térmica de PCB e pequena ocupação de espaço. A dissipação térmica geral do PCB é anisotrópica como resultado de múltiplos padrões de camadas de PCB incluindo camada superior, inferior e de roteamento, que levam a múltiplas características como conteúdo de cobre, espessura de cobre, furos passantes e posições. Baseado em software de análise térmica e forma física e características térmicas de componentes, este artigo configurará PCB e componentes simplificados e discutirá o comprimento, largura e quantidade de aletas de resfriamento com resultados experimentais vindos através de análise de dados de simulação de diferentes condições.

Princípios de Análise Térmica

A teoria de análise térmica no nível de placa de PCB é baseada nos princípios básicos da teoria de transferência de calor. O procedimento de transferência de calor apresenta três modos diferentes: condução térmica, convecção térmica e radiação térmica, entre os quais a condução térmica é o principal método de dissipação térmica.

Segundo a lei de Fourier sobre teoria de transferência de calor, na camada diferencial com qualquer espessura d na direção de x, a energia passando por d em tempo unitário é diretamente proporcional à taxa de mudança de temperatura da área A, que pode ser exibida na fórmula .

Nesta fórmula, Q (W) refere-se à energia passando pela área A em tempo unitário, que também é fluxo de calor. A (m²) refere-se à área de seção transversal na direção de condução. L (m) refere-se ao comprimento do caminho de condução. k [W/(m·°C)] é condutividade térmica. Δt (°C) é a diferença de temperatura entre os dois lados de d. x (m) é o caminho do fluxo de calor. Menos indica o oposto à direção de transmissão de calor e aumento de temperatura.

Densidade de fluxo de calor q (W/m²) refere-se à quantidade de fluxo de calor passando através de área unitária A dentro de tempo unitário, mostrada na fórmula .

Diferentes materiais têm diferentes condutividades térmicas k, cujo valor alto indica excelente condutividade.

Teoria de Resistência Térmica de PCB

PCB é um tipo de estrutura multicamada complicada cuja condução de calor é anisotrópica. Em termos de análise térmica de PCB, a estrutura de material em cada camada é diferente, de modo que é difícil configurar um modelo devido ao grande número de malhas e velocidade de computação lenta. Este artigo usa um modelo simplificado com a ajuda de software de análise térmica. O modelo simplificado de PCB multicamada é exibido na Figura 1 abaixo.

Suponha que camada de cobre e camada FR-4 tenham a mesma espessura e cada camada tenha o mesmo espaçamento. kₙ que é condutividade térmica normal e kₚ que é condutividade térmica de cada camada são usados para descrever o desempenho térmico de PCB. As seguintes fórmulas podem ser usadas para calcular o valor de kₙ e kₚ.

Nesta fórmula, δCu refere-se à espessura de cada camada de cobre; kCu é a condutividade térmica do cobre com valor de 388 [W/(m·°C)]; kj é a condutividade térmica de cada roteamento de cobre; δF é a espessura de cada camada FR-4; kF é a condutividade térmica do FR-4 com valor de 0,35 [W/(m·°C)]; δPCB é a espessura total do PCB; Aj é a área total de roteamento de cobre na camada j. A resistência térmica de PCB é mostrada no modelo simplificado na Figura 2.

A temperatura da camada de superfície e camada de base do PCB é respectivamente t₁ e t₂; o calor total transmitido é Q; a resistência total é R; a resistência térmica de cada camada na orientação de espessura é R₁, R₂ e R₃ e em L₁, L₂ e L₃; a área da placa é A. Baseado na Figura 2(a), a orientação é suposta ser apenas vertical e a resistência térmica pode ser calculada através da seguinte fórmula:
R₁ = L₁/(A·k₁)
R₂ = L₂/(A·k₂)
R₃ = L₃/(A·k₃)

Baseado na Figura 2(b), a orientação é suposta ser apenas horizontal e a resistência térmica pode ser calculada através da seguinte fórmula:
R₁ = L/(A₁·k₁)
R₂ = L/(A₂·k₂)
R₃ = L/(A₃·k₃)
1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃

A resistência térmica total ao longo das orientações vertical e horizontal pode ser exibida de acordo com conexão série-paralelo de resistência térmica através da fórmula Q = (t₁ - t₂)/R.

Baseado na fórmula acima, fica claro que a resistência térmica total na orientação horizontal é muito menor que na orientação vertical. Portanto, se o cobre for enterrado horizontalmente no PCB, melhor efeito de dissipação térmica será obtido. Um PCB de camada dupla é escolhido por este artigo como objeto de análise. A Figura 3 é o esboço de PCB com cobre enterrado.

Análise de Simulação e Verificação

Design do Modelo de PCB

O tamanho do modelo simplificado está listado na tabela abaixo.

Item	Tamanho
PCB	100 mm x 100 mm
Chip	10 mm x 10 mm
Encapsulamento do componente	20 mm x 20 mm
Consumo de energia do chip	8 W

O componente é colocado no centro do PCB, cuja fonte de calor tem cobre enterrado abaixo. Aletas de resfriamento de cobre são enterradas adjacentes ao cobre. A Figura 4 é o modelo de simulação com tamanho de 0,5 mm x 30 mm.

Um circuito com corrente de 2 A é definido como objeto de simulação, de modo que a largura da linha é de pelo menos 0,5 mm e furo passante 0,5 mm. Aletas de resfriamento adjacentes ao cobre enterrado devem ter espaçamento mínimo de 1 mm e a largura das aletas de resfriamento neste artigo são definidas como 0,13 mm, 0,25 mm, 0,5 mm, 0,75 mm e 1 mm e comprimento 20 mm, 30 mm e 40 mm. Sob condição de largura de 10 mm e espaçamento menor que 1 mm, o número de aletas de resfriamento com diferentes larguras é exibido na tabela abaixo.

Largura da aleta (mm)	Temperatura (°C)	Comprimento da aleta (mm)			Número de aletas
		20	30	40
0,13	Máxima	96,7	91,2	89,8	10
	Mínima	89,1	84,5	83,4
0,25	Máxima	92,5	89,5	87,5	8
	Mínima	85,4	83,6	81,9
0,50	Máxima	92,1	88,6	86,2	7
	Mínima	85,3	83,2	81,2
0,75	Máxima	91,9	87,9	85,3	6
	Mínima	85,2	83,0	80,8
1,00	Máxima	91,8	87,8	85,1	5
	Mínima	85,0	82,9	80,8
Temperatura dos componentes sem cobre enterrado (°C)					Máxima: 108,4 Mínima: 98,3

Análise de Resultados

Baseado na Tabela 2, pode-se inferir que diferenças em termos de largura e comprimento das aletas de cobre levam à grande escalação da temperatura dos componentes de PCBs. No entanto, na aplicação prática, comprimento de PCB e largura de aleta adequados devem ser escolhidos considerando situações práticas e custo de cobre. A Figura 5 é o gráfico da temperatura máxima dos componentes enquanto a Figura 6 é o gráfico da temperatura mínima dos componentes.

  

Pela tendência de mudança indicada pelo gráfico, pode-se resumir que quando a largura das aletas é menor que 0,5 mm, a temperatura dos componentes é grandemente diminuída com o aumento da largura da aleta. A redução de temperatura torna-se estável quando a largura é maior que 0,5 mm. Assim, a diferença de temperatura é a maior quando a largura da aleta é mantida em 0,5 mm com o menor custo de material. Com o aumento das aletas de resfriamento, a temperatura do componente diminui.

A temperatura cai na maior extensão, mais de 5 °C, quando o comprimento da aleta está na faixa de 20 mm a 30 mm. A temperatura cai em pequena extensão, mais ou menos 2 °C, quando o comprimento da aleta está na faixa de 30 mm a 40 mm. Portanto, reduzir diferenças de temperatura são relativamente grandes quando aletas com comprimento de 20 mm a 30 mm são escolhidas com custo relativamente baixo. Considerando o fato de que aletas de resfriamento de PCB não podem ser nem muito longas nem muito largas, é adequado escolher aletas com largura de 0,5 mm e comprimento 30 mm.

A Figura 7 é o gráfico de distribuição de temperatura de simulação de PCB sem cobre enterrado, enquanto a Figura 8 é o gráfico de distribuição de temperatura de simulação de PCB com aletas de comprimento 30 mm e largura 0,5 mm.

  

Segundo as duas figuras, pode-se saber que a temperatura máxima cai de 108,4 °C para 88,6 °C, com redução de 18,5%. A temperatura mínima cai de 98,3 °C para 83,2 °C, com redução de 15,3%. Baseado na comparação em termos de campo de temperatura entre Figura 7 e Figura 8, PCB com cobre enterrado é capaz de ajudar o campo de temperatura distribuído uniformemente e reduzir a diferença de temperatura das placas, evitando hotspots. PCB com cobre enterrado reduz a temperatura dos componentes, o que é benéfico para a melhoria da dissipação térmica de componentes no PCB, de modo que a confiabilidade dos componentes será grandemente aumentada.

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