A medida que la tecnología avanza de manera exponencial, la gestión térmica se está convirtiendo en un tema de cada vez mayor importancia en la producción de PCB sin componentes y ensamblaje. Ya sea en aplicaciones de LED de gran brillo, transmisores de gran potencia o fuentes de energía de alto voltaje, las exigencias para un mejor intercambio de calor y enfriamiento también aumentan.

El objetivo general de la gestión térmica en la placa sin componentes y en el ensamblaje es conducir el calor de los componentes que generan calor hacia un disipador térmico externo. El intercambio de calor mejorado se traduce en un mejor promedio de tiempo entre fallos (MTBF, por sus siglas en inglés) y en algunos casos será un factor decisivo a la hora de cumplir las especificaciones de diseño de un producto dado.Tecnología MCPCB

Una manera simple de gestionar el calor es cambiar de FR4, el material de uso estándar en PCB multicapa, a materiales dieléctricos de conductividad térmica diferentes unidos a una película sólida de metal base, núcleo metálico (MCPCB) Así mejorará notablemente el rendimiento térmico de un PCB. MCPCB funciona utilizando una preimpregnación termalmente conductiva entre las capas de conducción de cobre que lleva la energía térmica hacia el núcleo o base metálico alejándola de los componentes. La tecnología MCPB se puede ejecutar como una capa única sobre una base metálica o como multicapa sobre los lados superior e inferior de la base metálica.

Abajo se puede ver una estructura MCPCB de 2 capas que muestra la transferencia térmica del componente montado en la superficie a través de la acumulación hacia la base metálica. Así se puede llegar a ofrecer una conductividad térmica de hasta 12W/mK, pero en la actualidad esta solución no llega a mejorar dicho resultado. Para alcanzar una conductividad térmica mayor recomendamos una tecnología diferente como la de pieza de cobre.

PCB de pieza de cobre, una tecnología que crece

En este artículo queremos introducirnos en profundidad en la tecnología de pieza de cobre de PCB. El intercambio de calor tiene lugar a una tasa más alta cuando se utilizan materiales de alta conductividad térmica. El cobre es altamente conductivo ofreciendo de 400 W/mK hacia arriba, como lo son también otros materiales como el diamante que puede llegar a ser hasta cinco veces más conductivo que el cobre. Pero,
¿quién querría utilizar diamantes en sus PCB? El cobre constituye una de las mejores maneras de gestionar el calor, manteniendo al mismo tiempo la conductividad eléctrica y térmica.

Lo que se conoce como «copper coin» de PCB es simplemente una pieza de cobre que se coloca normalmente debajo de los componentes que necesitan refrigeración. La pieza de cobre puede refrigerar el doble de lo que haría una matriz de vías. Y, en lugar de utilizar materiales con conductividad térmica, la pieza de cobre proporciona contacto directo entre el soporte del componente que produce calor y el disipador térmico. La conductividad térmica del cobre es de promedio de 30 a 200 veces mejor que cualquier preimpregnación dieléctrica que se pueda encontrar.

La tecnología de pieza de cobre es la más adecuada cuando un número reducido o específico de componentes de un PCB generan la mayor parte del calor. La pieza de cobre proporciona la mejor solución para el intercambio de calor de manera localizada en un PCB independientemente del número de capas o el material del PCB. Este concepto se basa en encastrar a presión una pieza de cobre en un corte prefabricado en la placa, justo debajo de una zona que se ha identificado como punto caliente, que permite que se transfiera el calor directamente a un disipador térmico a través de la acumulación PCB. Todo esto, naturalmente, sin pasar por la acumulación de materiales del PCB que tradicionalmente han provocado atascos en la disipación térmica.

La pieza de cobre se encastra en el PCB y se puede incorporar con diferentes formas y configuraciones. La configuración que elige el ingeniero reflejará el compromiso entre el enrutamiento, requisitos del plano de energía y la cercanía de la pieza de cobre al componente que necesita refrigeración.Las figuras 1 y 2 muestran una pieza de cobre sólido desde la capa 1 a la 4, que funciona como soporte de ensamblaje y que proporciona el mejor canal de intercambio de calor para un componente caliente.

 En otros casos, si el tamaño del soporte es demasiado reducido y se deben tener en cuenta consideraciones sobre el enrutamiento bajo un soporte caliente, la pieza de cobre también se puede encastrar solamente hasta una capa determinada y no
atravesar todo el PCB. Las figuras 3 y 4 muestran la implementación de una pieza de cobre que está ubicada entre las capas L4 y L2 y que no hace contacto con la capa L1.

Copper coin
Pieza de cobre

La figura 5 muestra una pieza de cobre en forma de «T». La forma en «T» ejemplifica cómo utilizar las magníficas propiedades de la tipología de la pieza de cobre en la cuales o bien el soporte que genera calor o el disipador de calor son diferentes en sus superficies, es decir, un soporte pequeño y un disipador térmico grande o viceversa.
Otro ejemplo de uso es cuando existen límites a las dimensiones mínimas de la pieza
de cobre. Utilizar una forma en «T» nos permite mantener la dimensión general de la pieza de cobre dentro de los límites mínimos y aun así crear un contacto con un soporte que es menor que el requisito de tamaño mínimo para la pieza de cobre. Las piezas en «T» son una magnífica contrapartida en términos de rendimiento y zona ocupada porque la forma aporta flexibilidad con el espacio que ocupará la pieza.

Aunque esta tecnología es relativamente reciente, hemos podido constatar bastante éxito cuando el PCB se diseña óptimamente para ella. Con cada objeto extraño que se añade a una acumulación, los registros y las tolerancias se convierten en una gran preocupación y el proceso requerido es mayor. La pieza de cobre es la cúspide en el intercambio térmico que se puede aplicar de manera eficiente a nivel de placa sin componentes. Tanto si está trabajando en el diseño de un MCPCB o de una pieza de cobre, le recomendamos que trabaje en colaboración con su proveedor de PCB, especialmente cuando se trata de tecnologías tan recientes como estas.

Artículo cedido por NCAB Group Iberia