1. Ampliação da área de cobre e derramamento de cobre em grandes áreas
Princípio Fundamental: O cobre tem uma condutividade térmica de aproximadamente 401 W/(m·K), milhares de vezes maior que o substrato FR‑4 (~0,3 W/(m·K)). A expansão da área da folha de cobre em torno dos componentes geradores de calor cria uma seção transversal maior para a propagação do calor e reduz efetivamente a resistência térmica da junção ao ambiente.
Pontos-chave de engenharia:
Os pinos de alimentação e aterramento dos CIs com uso intensivo de calor devem ser conectados diretamente a grandes planos de cobre; evite traços estreitos que restrinjam o fluxo de calor.
Despeje cobre nas camadas superior e inferior e acople-as termicamente através de vias para obter uma duplicação equivalente da espessura do cobre.
Um vazamento maior de cobre nem sempre proporciona benefícios proporcionais. O ganho térmico diminui além de 3 a 5 vezes o tamanho do chip. Equilibre o desempenho térmico com EMI e integridade do sinal.
Para dispositivos BGA/QFN com almofadas térmicas inferiores, mantenha o cobre contínuo sem segmentação diretamente abaixo do chip.
2. Matriz de Vias Térmicas
Princípio Fundamental: Quando a almofada térmica de um componente está na camada superior enquanto a maior dissipação de calor ocorre nas camadas inferiores ou internas, a resistência térmica vertical é dominada pelo dielétrico FR‑4. As vias térmicas formam canais de cobre através das camadas da PCB, transferindo calor rapidamente das placas superiores para o cobre da camada inferior ou para os dissipadores de calor. Eles representam uma das formas mais eficazes de reduzir a resistência térmica vertical.
Pontos-chave de engenharia:
A quantidade é mais importante do que o diâmetro de via única. Várias vias pequenas superam uma via grande. Implementação típica: vias de 0,3 a 0,5 mm de diâmetro dispostas em matrizes com espaçamento de 1,0 a 1,5 mm sob as almofadas térmicas.
Evite a absorção da solda: as vias que pousam diretamente nas almofadas podem retirar a solda. Para produção em massa, adote VIPPO (Via‑in‑Pad Plated‑Over) com enchimento e tampa de cobre.
Combine vias térmicas com aterramento de camada interna sólida ou planos de energia para construir uma estrutura de dissipação de calor 3D combinando vias e planos.
Para dispositivos com consumo de energia acima de 5 W, utilize pelo menos 9 vias térmicas e valide os resultados através de simulação térmica.
3. Almofada térmica e almofada exposta (EPAD)
Princípio Fundamental: Pacotes como QFN, DFN e SOIC‑EP apresentam uma base metálica exposta na parte inferior, diretamente ligada à matriz do chip. Uma almofada de cobre correspondente projetada na PCB permite que o calor escape da parte traseira do chip, em vez de apenas através dos cabos dos componentes.
Pontos-chave de engenharia:
A dimensão do PCB EPAD deve seguir as recomendações da folha de dados, geralmente um pouco maior (margem de 0,1-0,25 mm em cada lado) do que a almofada exposta da embalagem.
Direcione o EPAD para grandes planos de cobre da camada inferior ou interna através de matrizes térmicas; apenas o cobre da camada superior fornece capacidade de resfriamento limitada.
Estêncil de design com múltiplas aberturas pequenas (em vez de uma grande abertura sólida) sobre EPAD para controlar o volume da pasta de solda e evitar a flutuação ou formação de pontes dos componentes.
EPAD bem implementado pode atingir resistência térmica tão baixa quanto 1-2 graus/W, proporcionando alto desempenho de custo para projeto térmico.
4. PCB de núcleo metálico (MCPCB / PCB à base de alumínio)
Princípio Fundamental: Os substratos FR‑4 padrão têm baixa condutividade térmica. MCPCB usa alumínio ou cobre como núcleo com uma fina camada dielétrica termicamente condutora (50-100 μm). A sua condutividade térmica global atinge 1‑8 W/(m·K), muitas vezes superior à do FR‑4. O calor é transferido das almofadas dos componentes através da camada dielétrica para o núcleo de metal e depois para o gabinete.
Pontos-chave de engenharia:
Aplicações típicas: iluminação LED de alta potência, eletrônica automotiva, módulos de potência. O controle de temperatura da junção de LED depende fortemente de PCBs à base de alumínio.
A camada dielétrica é o principal gargalo térmico. Priorize a condutividade térmica dielétrica em vez de focar apenas no material do metal base durante a seleção do componente.
Custo mais elevado que FR-4. Complexo via processamento é necessário devido ao núcleo de metal condutor; MCPCB multicamadas é tecnicamente desafiador.
Alternativa: moeda de cobre parcial / incrustação de cobre embutida nas placas FR-4 para custo equilibrado e desempenho térmico.
5. Dissipadores de calor externos e materiais de interface térmica (TIM)
Princípio Fundamental: Quando a dissipação de calor intrínseca da PCB atinge limites, o calor deve ser conduzido para dissipadores de calor externos maiores. Componentes geradores de calor ou cobre da PCB na parte traseira fazem contato com dissipadores de calor por meio de TIMs, preenchendo lacunas microscópicas e deslocando o ar (condutividade térmica do ar ~0,026 W/(m·K), um mau condutor de calor).
| Tipo | Condutividade Térmica | Grossura | Cenários de aplicação |
|---|---|---|---|
| Graxa Térmica | 2‑8 W/(m·K) | Muito fino (<0.1 mm) | IGBT, CPU; aplicações que permitem remontagem com pressão controlada |
| Almofada de lacuna térmica | 1‑6 W/(m·K) | 0,5-5 mm | Compensação de diferença de altura, isolamento elétrico, absorção de choque |
| Adesivo térmico de dois componentes | 1‑3 W/(m·K) | Dependente da aplicação | Cenários que exigem contato térmico e ligação mecânica |
| Material de mudança de fase | 3‑6 W/(m·K) | 0,1‑0,25 mm | Derrete sob alta temperatura para preencher lacunas, boa confiabilidade a longo prazo |
6. Otimização de layout de componentes e design de dutos de ar
Princípio Fundamental: Os cinco métodos anteriores concentram-se na condução de calor. Em última análise, o calor deve ser dissipado para o ambiente através de convecção e radiação. O layout adequado e o projeto do fluxo de ar podem reduzir substancialmente a resistência térmica do sistema sem custo adicional de BOM.
Resumo: Pensamento Sistemático para Design Térmico
O design térmico da PCB não consiste simplesmente em empilhar truques individuais, mas na otimização sistemática em toda a cadeia de resistência térmica:
Junção de chip → Pacote → Almofada de solda → Cobre PCB → Vias / Núcleo de metal → Dissipador de calor → Ambiente ambiente
A resistência térmica de cada segmento necessita de avaliação quantitativa. Fluxo de trabalho recomendado:
Estime o consumo de energia e a temperatura máxima permitida da junção para cada dispositivo gerador de calor.
Calcule a resistência térmica total permitida: θ_JA=(T_Jmax - T_Ambient) / P_max.
Aloque orçamento de resistência térmica para pacote, PCB e dissipador de calor e identifique gargalos.
Combine os métodos mencionados acima. EPAD mais vias térmicas mais cobre de camada inferior grande oferecem a linha de base mais econômica. Adicione dissipadores de calor ou placas com núcleo metálico para cenários de alta potência.
Valide por simulação térmica (FloTHERM, ANSYS Icepak etc.) e calibre com medições de imagens térmicas infravermelhas.
