Gestión térmica de PCB: cobre, vías térmicas y placas de aluminio
Adónde va el calor, qué puede hacer en el diseño y cuándo conviene pasar de FR4 a una placa de aluminio.
El calor sale de la placa de tres maneras
Un componente disipa potencia en forma de calor. En la placa, ese calor viaja por el cobre y el laminado, se reparte lateralmente y sale por convección y radiación desde las superficies, o a través de un disipador o de la envolvente. El diseño determina con qué facilidad se puede repartir el calor, así que el diseño térmico empieza en la PCB, mucho antes de elegir un disipador.
Use cobre donde está el calor
El cobre conduce el calor unas mil veces mejor que el FR4. De ahí salen tres palancas:
- Área de cobre. Conecte el pad térmico de un componente de potencia a una gran área de cobre, no a una pista fina. Más área significa menor aumento de temperatura.
- Peso del cobre. 35 µm es la elección habitual; 70 µm lleva más corriente y reparte mejor el calor en la misma área. Producimos 18, 35, 50 y 70 µm (vea la guía de espesor de cobre).
- Planos internos. En placas multicapa, las capas internas de cobre actúan como esparcidores de calor cuando las vías térmicas se conectan a ellas.
Tenga en cuenta el compromiso: una capa de cobre gruesa necesita mayor separación, y un pad grande conectado a un plano puede soldar mal salvo que se alivie con radios térmicos cuando la soldadura manual o por reflow lo requiera.
Vías térmicas
Las vías bajo un pad térmico trasladan el calor de la capa superior a un plano o a la cara opuesta. Como punto de partida típico:
| Parámetro | Valor típico |
|---|---|
| Diámetro de taladro | 0,3 mm |
| Pitch | aproximadamente 1,0 a 1,2 mm |
| Colocación | cuadrícula bajo el pad térmico |
| Conexión | a un plano de cobre o a una gran área en la otra cara |
Las vías abiertas bajo un pad pueden arrastrar soldadura lejos de la unión durante el montaje. Consulte con su montador si quiere reducir su número, desplazarlas o cubrirlas con máscara de soldadura. Nuestros límites para agujeros están en la guía sobre vías y tamaños de agujero.
Espesor de la placa y material
Las placas más finas tienen un camino vertical más corto, pero el calor todavía tiene que repartirse lateralmente por el cobre. El FR4 estándar tiene baja conductividad térmica, así que el cobre hace casi todo el trabajo. Para los espesores estándar vea espesor de PCB.
Cuándo elegir una placa de aluminio
Si un componente disipa más calor del que pueden manejar el área de cobre y las vías, como ocurre con los LED o las etapas de potencia, una placa de aluminio (IMS, sustrato metálico aislado) conduce el calor hacia la base metálica y de ahí a un disipador o a una carcasa. Tiene una capa de cobre y un dieléctrico delgado entre el cobre y el aluminio. Lea FR4 frente a aluminio para la comparación y placas de aluminio para LED para las reglas de diseño.
Reglas de diseño que ayudan
- Coloque las piezas de alta potencia lejos de las sensibles al calor.
- Mantenga los componentes que generan calor lejos de los bordes de la placa donde esta se sujeta, salvo que el borde sea el camino térmico previsto.
- No ponga todas las piezas calientes en una esquina; repártalas.
- Use pistas y planos anchos para la alimentación; llevan tanto corriente como calor (vea ancho de pista y corriente).
- Verifique el resultado en un prototipo con una cámara térmica o un termopar, no solo por cálculo.
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Preguntas frecuentes
¿Cuántas vías térmicas necesito bajo un componente?
No hay un número fijo; depende de la potencia y del área de cobre a la que se conecten. Una cuadrícula con taladro de 0,3 mm y un pitch de aproximadamente 1,0 a 1,2 mm es un punto de partida habitual. Confirme el resultado midiendo un prototipo.
¿Cuándo es mejor una placa de aluminio que una de FR4?
Cuando el calor no se puede repartir solo con cobre y vías, por ejemplo con LED o componentes de potencia. Una placa de aluminio conduce el calor hacia la base metálica, pero tiene una única capa de cobre.
¿Ayuda el cobre más grueso con el calor?
Sí. El cobre más grueso reparte mejor el calor y lleva más corriente, pero necesita mayor separación entre pistas. Ofrecemos 18, 35, 50 y 70 µm.
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