In genere, la gestione della temperatura nei PCB si concentra sul problema del calore eccessivo generato, mentre il fenomeno opposto viene spesso trascurato: ovvero, quelle situazioni in cui è opportuno innalzare la temperatura al di sopra di un valore minimo, cioè riscaldare il PCB, per evitare che i componenti elettronici escano dal loro intervallo di funzionamento inferiore.

Pertanto, esistono diversi casi d'uso per quanto riguarda la gestione termica:

• Lo scenario più comune prevede la dissipazione del calore generato nel PCB in modo che sia i componenti che i materiali del PCB mantengano la loro integrità e possano funzionare entro i limiti di temperatura massimi.
• Il secondo scenario prevede il riscaldamento deliberato del PCB per mantenere il sistema entro i limiti operativi, a una temperatura superiore alla temperatura operativa minima.

Ad esempio, la temperatura dell'atmosfera a un'altitudine di 10 km scende di circa 65 °C rispetto al livello del mare. Ciò significa che un aeromobile che opera a tale altitudine deve riscaldare in qualche modo i propri componenti elettronici affinché i sistemi funzionino correttamente. Lo stesso vale per le applicazioni in ambienti estremi: Antartide, satelliti, ecc. Anche con componenti progettati per temperature di livello militare (tra -55 e 125 °C), i limiti operativi potrebbero essere superati.

I circuiti stampati (PCB) presentano due fonti di calore: i componenti elettronici e i conduttori in rame che li collegano. Per quanto riguarda i componenti, analizzeremo le tecniche di dissipazione del calore da essi generate, fornendo raccomandazioni pratiche per una progettazione ottimale dei PCB ai fini dell'evacuazione termica. In relazione al calore generato dal passaggio di corrente attraverso le tracce, verrà descritto lo standard IPC-2152 e verrà esaminato un caso di progettazione pratico, presentando i risultati ottenuti.

Standard IPC e controllo della temperatura

I primi dati sperimentali relativi al riscaldamento delle piste dei circuiti stampati risalgono alla metà del secolo scorso. Queste misurazioni venivano effettuate esaminando la temperatura delle piste esterne sotto diverse correnti, mentre per le piste interne ci si affidava all'intuizione, ipotizzando che la loro temperatura fosse circa il doppio di quella delle piste esterne.

Questi risultati, condensati nello standard MIL-STD-1495, furono pubblicati anni dopo come parte dello standard IPC-D-275. Successivamente, furono nuovamente inclusi nello standard IPC-2221 e la progettazione dei PCB si è basata su di essi fino a pochi anni fa.

Infine, l'IPC ha sponsorizzato uno studio completo sull'argomento, i cui dati hanno portato alla pubblicazione delle nuove tabelle nel 2009 all'interno dello standard IPC-2152. I nuovi valori, molto più dettagliati di quelli disponibili fino ad allora e relativi a situazioni molto diverse, hanno comportato alcune modifiche:

• Per gli strati esterni, i dati di temperatura sono stati corretti al ribasso di circa il 25%.
• Per quanto riguarda gli strati interni, la sorpresa è arrivata quando si è scoperto che si raffreddano quasi altrettanto bene, o addirittura meglio, degli strati esterni. Questo perché i materiali interni del PCB dissipano il calore dalle piste in modo più efficace rispetto all'aria.

La tabella principale dello standard IPC-2152, che funge da base per tutti gli altri calcoli, è il noto grafico in Figura 5-2. Questo grafico mette in relazione le correnti con le sezioni trasversali delle tracce per diversi incrementi di temperatura rispetto alla temperatura ambiente. Questa tabella si applica ai PCB con un'area di ​​≥ 3x3”. Per i PCB più piccoli, si utilizza la tabella più conservativa in Figura 5-1.

Grafico equivalente alla Figura 5-2 dello standard IPC-2152

Altre caratteristiche iniziali di questa “tabella universale” sono che è generata per uno spessore di rame di 3 oz e su un substrato di poliammide con uno spessore di 70 mil (1,77 mm).
Da questa tabella generica, lo standard stabilisce diverse altre tabelle ausiliarie con fattori di correzione per i valori “universali” basati su diversi fattori:
• Regolazione in base allo spessore di base del rame: i fattori di correzione sono generati per spessori di 0,5 oz, 1 oz e 2 oz (3 oz è il valore iniziale).
• Regolazione in base al piano più vicino alla traccia che genera calore. Questo piano ha la maggiore influenza sulla dissipazione del calore, poiché è la principale superficie dissipativa, e i fattori di correzione sono generati per piani a distanze di 5, 20 e 40 mil.
• Regolazione in base al tipo di materiale isolante, consistente in un fattore aggiuntivo per PCB realizzati in materiale FR4.
• Regolazione in base allo spessore totale del PCB, con fattori moltiplicativi per spessori di 38 e 59 mil (70 mil è il valore iniziale).

I vari grafici e i relativi fattori di correzione ci permettono di calcolare con ragionevole precisione l'aumento di temperatura che il PCB subirà rispetto alla temperatura ambiente.
Aggiungendo a questa temperatura il margine di sicurezza che desideriamo stabilire nel nostro progetto, otterremo la temperatura Tg minima del materiale con cui dobbiamo realizzare il nostro PCB.

Calore generato da componenti discreti

In alcuni casi, un componente discreto può funzionare entro il proprio intervallo di temperatura di esercizio sicuro, e allo stesso tempo la temperatura raggiunta dal suo involucro è considerevolmente superiore al valore di Tg del materiale del PCB (Nota dell'autore: questo autore può testimoniare di aver visto un transistor CMOS fondere lo stagno delle sue saldature pur mantenendo un funzionamento stabile e senza distruggersi... sebbene lo stesso non si possa dire del PCB su cui era montato).

Questo è il caso d'uso più comune: il calore in eccesso. Per affrontare questo problema, si è tradizionalmente utilizzato l'approccio noto come legge di Ohm termica. Questo approccio equipara la potenza dissipata dal componente (W) alla corrente (A) in un circuito convenzionale con resistori in serie. Il calore in eccesso da assorbire (°C) viene "dissipato" attraverso le varie resistenze termiche (Rth in °C/W), proprio come la tensione (V) viene distribuita nel nostro circuito "virtuale" in modo proporzionale alle resistenze elettriche (Ohm).

Lo sviluppo di questo metodo di base è ampiamente noto ed è facile trovare informazioni al riguardo cercando online i termini "legge di Ohm termica nei PCB". Un circuito termico che non è più così facile da risolvere è quello mostrato nella figura allegata, che ricorda i complicati esercizi di elettronica di base dei miei anni da studente:

Questo caso non verrà approfondito in questa sede, poiché desideriamo che questo articolo raggiunga il maggior numero possibile di persone. Tuttavia, le diverse resistenze termiche tra i vari piani conduttivi coinvolti, i percorsi termici verso lo strato inferiore e le altre resistenze termiche già stabilite nell'esempio di base sono chiaramente visibili. Il diagramma rappresenta i diversi percorsi e meccanismi di propagazione del calore all'interno del PCB.

In ogni caso, possiamo fornire raccomandazioni pratiche tratte dalla letteratura tecnica per ottenere una buona progettazione termica (sebbene queste non potranno mai superare i moderni programmi di simulazione):

• Su un PCB a doppia faccia con rame massiccio, senza dissipatore di calore e convezione naturale dell'aria (senza ventola), l'area minima necessaria per dissipare 1 W di
potenza per un aumento di temperatura di 40 °C è di 15,3 cm². Non ci riferiamo allo spessore del rame poiché la dissipazione del calore avviene per convezione, non per conduzione. Tuttavia, si presuppongono alcune condizioni: che l'aria circoli liberamente su entrambi i lati del PCB (il PCB non è all'interno di un case chiuso) e che il PCB abbia una buona progettazione termica, distribuendo in modo ottimale il calore dal chip sorgente ai bordi. I seguenti punti aiutano a ottimizzare questa seconda condizione.

• Più spesso è lo strato di rame, migliore è la conduzione del calore. Uno strato di rame da 2 once ha una resistenza termica inferiore del 25% rispetto a uno strato da 1 oncia (ovvero, migliora la dissipazione del calore del 25%).
• Il piano di rame attraverso il quale si propaga il calore dovrebbe essere esteso ed è necessario evitare tagli perpendicolari nella direzione di propagazione del calore.
• Se disponibile, posizionare il dissipatore di calore lungo il percorso di minore resistenza termica verso la giunzione del chip da raffreddare. Un package con un gap termico inferiore ha una minore resistenza termica verso la giunzione in questo punto, quindi si ottiene un risultato più favorevole se il dissipatore di calore viene posizionato sulla faccia inferiore del PCB.
• Se sono presenti più sorgenti di calore sul PCB, si consiglia di applicare il principio di sovrapposizione. Ciò comporta la risoluzione per ciascuna sorgente di calore separatamente, il calcolo dell'aumento di temperatura che essa provoca nelle posizioni delle altre sorgenti di calore e quindi la somma di tutti i singoli contributi. Questo fornirà una buona stima dell'aumento di temperatura in ciascun punto.

Seguendo queste raccomandazioni, elenchiamo ora i diversi effetti sul valore finale della resistenza termica giunzione-ambiente θja per un chip già montato su un circuito, con diverse configurazioni del PCB:

• L'aumento del numero di strati migliora la dissipazione del calore complessiva: il miglioramento della resistenza termica tra un PCB a 2 lati e un PCB a 4 strati con piani interni può raggiungere fino al 40% (il θja finale diminuisce del 40%).
• La presenza di piani separati sui lati SUPERIORE e INFERIORE, collegati all'area di supporto del chip o "osso di cane", migliora anche la sua dissipazione del calore fino al 20%.
• Anche la struttura in rame di questi piani SUPERIORE e INFERIORE influenza la resistenza termica finale: una copertura di rame ridotta al 50% della sua area superficiale massima ideale (un piano di rame senza discontinuità) peggiora la dissipazione del calore di circa il 3%.
• La maschera di saldatura sui piani SUPERIORE e INFERIORE migliora la dissipazione del calore di circa il 4-5% (il θja finale diminuisce di tale quantità). La maschera di saldatura ha una migliore radiazione termica rispetto al rame, anche se questo può sembrare controintuitivo.
• Il posizionamento dei fori termici nella regione "a osso di cane" (sotto il package del chip), insieme alle loro dimensioni, migliora notevolmente la dissipazione del calore, riducendo il θja finale. Il diametro del foro raccomandato è di 12-13 mil (0,30-0,33 mm), che può ridurre il θja finale del 15-25%.

Un foro passante con un diametro di 0,3 mm (12 mil) e pareti in rame di 18 µm ha una resistenza termica di 261 °C/W. Si consiglia di posizionare il maggior numero possibile di questi fori passanti – il numero è molto importante – formando una matrice con una spaziatura di 1 mm sul pad termico esposto.

• Fattori con scarso effetto sul set θja totale:
✔ La posizione dei via nella regione di atterraggio "a osso di cane".
✔ La posizione dei via nella regione circostante, al di fuori della regione "a osso di cane".
✔ Costruzione del package del componente nell'area di supporto.
✔ Materiali del filo di collegamento (interno al chip).

• Fattori importanti:
✔ Le dimensioni del chip e della superficie di atterraggio sono importanti; più grandi sono, meglio è.
✔ Anche la percentuale di superficie del PCB coperta dalla maschera di saldatura è importante: maggiore è la percentuale, meglio è. La resistenza totale θja non è influenzata in modo significativo se la riduzione rispetto al massimo possibile (100% del PCB coperto dalla maschera di saldatura) è inferiore al 50% della superficie (il deterioramento di θja è inferiore al 5%). Tuttavia, quando la copertura scende al di sotto di questo livello, il comportamento termico si deteriora considerevolmente (fino al 35% se la copertura della maschera di saldatura scende al 5% della superficie).

Tenendo conto di tutte queste considerazioni, possiamo riassumerle come una serie di raccomandazioni per una progettazione ottimizzata dei PCB dal punto di vista termico:

• Utilizzare le superfici PCB più ampie possibili con gli strati di rame più spessi possibili (almeno quattro lati, 7,6 x 7,6 cm e spessori di 57 g/28 g/28 g/57 g).
• Utilizzare via termiche nell'area di messa a terra dei componenti da raffreddare, collegando gli strati GND superiore, GND interno e GND inferiore.
• Posizionare le via termiche vicino alla periferia dei pad esposti se non è possibile posizionare il numero massimo di via sull'intera superficie.
• Creare un piano di massa il più ampio possibile, compatibilmente con la topologia del PCB, soprattutto in prossimità del componente da raffreddare, sugli strati superiore, inferiore e intermedio.
• Collegare il piano GND al pad di massa inferiore dei componenti IC "termici".
• Collegare i pin appartenenti alla stessa connessione su ciascun componente, come GND, PVIN e POUT. Ciò massimizzerà l'area di rame direttamente adiacente ai componenti.
• Rendere le tracce di connessione il più lunghe possibile, poiché servono a condurre il calore verso l'esterno dei chip da raffreddare.

Calore generato dalle tracce del PCB

Per caratterizzare il riscaldamento subito da un PCB a causa della corrente che scorre attraverso le tracce conduttive, il miglior riferimento normativo è lo standard IPC-2152.
condizioni
costruttive del PCB

Utilizzando i grafici inclusi in questa norma, viene calcolato l'aumento di temperatura rispetto alla temperatura ambiente, determinando così la temperatura finale del circuito. Questo valore non deve superare il valore critico di Tg del nostro materiale per PCB.

Supponendo che il circuito stampato in fase di analisi o progettazione abbia un'area superiore a 3x3 pollici² (un quadrato con lati di 76,2 mm), si utilizza come punto di partenza il "grafico universale" della norma. Se l'area superficiale del circuito stampato è inferiore, si utilizza il "grafico conservativo".

Questi grafici mostrano direttamente l'area della sezione trasversale di una traccia di rame per una data corrente e un dato aumento di temperatura previsto. Come accennato in precedenza, questi grafici sono generati in condizioni operative specifiche. Pertanto, è necessario applicare dei fattori di correzione per adattare i risultati alle specifiche effettive del nostro circuito:
• Viene applicata una correzione per le differenze di spessore del rame (il grafico originale è stato ottenuto per tracce di 3 once di spessore).
• Viene applicata un'ulteriore correzione in base alla presenza e all'area dei piani conduttivi vicino alla traccia, poiché questi contribuiscono in modo significativo alla dissipazione del calore. Il grafico originale è stato ottenuto senza piani adiacenti.
• Un'ulteriore correzione deve essere applicata anche in base allo spessore totale finale del PCB.
Il grafico universale è ottenuto per uno spessore totale di 70 mil (1,778 mm).
• Se il PCB è realizzato con materiale FR-4 anziché poliimmide, è necessario applicare un ulteriore fattore di correzione.

Tutti questi fattori correttivi sono tabulati nella norma e, tramite essi, possiamo regolare la sezione trasversale del conduttore che produce l'aumento di temperatura previsto nel nostro PCB.

È opportuno precisare che i grafici presenti nella norma si basano sul presupposto che le tracce analizzate siano separate da una distanza superiore a 1 pollice (25,4 mm), il che spesso non è pratico. Se le tracce sono più vicine, la loro temperatura aumenterà. Per tenere conto di questo effetto, è necessario utilizzare la corrente combinata di tutte le tracce.

A titolo di esempio, riassumiamo il processo di progettazione di un riscaldatore implementato nella pratica sulle tracce interne di un PCB a 6 strati. Le tracce che svolgono la funzione di riscaldamento si trovano sugli strati L3 e L4, entrambi circondati da piani di alimentazione e di massa rispettivamente su L2 e L5. Il PCB è realizzato in materiale FR-4, con uno spessore delle tracce di 0,5 oz su tutti gli strati interni. Poiché l'area del PCB è maggiore di 3x3", possiamo utilizzare la tabella universale e applicare i vari fattori di correzione.

Lo spessore totale del PCB è di 61 mil (1,55 mm), con i due nuclei interni che misurano 0,55 mm (21,65 mil) di spessore. È presente anche uno spazio di 0,108 mm tra di essi (ottenuto tramite uno strato di preimpregnato 2116 spesso 4,28 mil). I dettagli della stratificazione sono mostrati nella figura seguente.

Ciascuna pista che costituisce parte del riscaldatore in L3 e L4 presenta un piano vicino a 21,65 mils e un altro piano sul lato opposto più distante a 25,94 mils (21,65 + 4,28). Ciò si traduce in un doppio raffreddamento per ciascuno degli strati di piste radianti nel nostro riscaldatore. Considerando separatamente questi due effetti, applicheremo lo standard IPC per calcolare l'effetto individuale di ciascun piano vicino alle piste radianti. Quindi, utilizzando il principio di sovrapposizione, calcoleremo la resistenza termica totale dell'equivalente "parallelo" di entrambe le resistenze termiche. L'effetto è identico per i due strati di piste termiche L3 e L4.

Come punto di partenza, vogliamo che il riscaldatore aumenti la temperatura del PCB di circa 15 °C, con una corrente disponibile, secondo il progetto, di 9 A.

Utilizzando l'approccio del circuito equivalente per le resistenze termiche, che abbiamo presentato nella sezione precedente, poiché il calore generato ha due percorsi simultanei attraverso i quali dissiparsi, l'effetto generato dai due piani corrisponde all'esistenza di due resistenze termiche approssimativamente uguali in parallelo. Sappiamo che la resistenza finale di due resistori collegati in parallelo è inferiore al valore minore dei due e che, se sono uguali, il risultato è la metà del loro valore. Applicando questo concetto alla dinamica della temperatura, in pratica ciò significa supporre che il PCB si raffredderà approssimativamente "due volte meglio" rispetto a se avesse un solo piano. Pertanto, effettueremo i nostri calcoli per ciascun piano considerando un incremento di temperatura individuale desiderato di 30 °C, supponendo che la temperatura finale sarà approssimativamente il risultato della divisione dell'incremento per due, ottenendo i 15 °C desiderati.

Da qui, utilizziamo le tabelle standard IPC ipotizzando la presenza di un solo piano di raffreddamento anziché due, e, come già detto, presupponiamo un aumento iniziale della temperatura di 30 °C.

Di seguito, forniamo un esempio di una delle iterazioni eseguite durante i calcoli.

Considerando le variabili note senza alcuna compensazione, nella tabella universale otteniamo il valore iniziale dell'area della sezione trasversale del rame (Ac) di 299,7 mil², che è equivalente a una larghezza della traccia (W) di 76,8 mil per tracce di spessore pari a 3 oz, come previsto dalla tabella universale.

Ac = 299,7 mil², W = 76,8 mil @ 3 oz, aumento di temperatura di 30 °C

Ora includiamo i seguenti fattori di compensazione:
• Tracce da 1/2 oz invece di 3 oz: moltiplicatore per 0,858 secondo la tabella di compensazione dello spessore del rame. Ac = 257,3 mils²
• Spessore totale del circuito di 61 mils invece di 70 mils: moltiplicatore per 1,084 utilizzando la tabella degli spessori. Ac = 279 mils²
• Presenza di un piano da 1/2 oz a una distanza di 21,65 mils dalle tracce: moltiplicatore per 0,53, secondo la tabella di prossimità dei piani. Ac = 147,5 mils²
• Presenza di un piano che funge da dissipatore di calore con un'area maggiore di 3x3 in²: moltiplicatore per 0,95. Ac = 140,4 mils²
• Utilizziamo materiale FR-4 invece di poliimmide: secondo la tabella dei materiali, applichiamo un moltiplicatore di 1,02. Ac = 143,2 mila², W = 209,11 mila

Abbiamo quindi eseguito lo stesso procedimento per il nostro dissipatore di calore successivo, che si trova a 25,94 mil dalle piste riscaldanti. L'area della sezione trasversale e la larghezza della pista risultanti sono le seguenti: Ac = 146,37 mil², W = 213,73 mil

Ora dobbiamo eseguire diverse iterazioni fino a ottenere lo stesso risultato di area in entrambi i casi. Per fare ciò, modifichiamo leggermente gli
incrementi di temperatura considerati in ciascun caso fino a ottenere la stessa larghezza della traccia. Nel nostro caso, otteniamo il valore di equilibrio per il seguente risultato:

Ac = 142,9 mil², W = 208,6 mil, che si ottiene per i valori iniziali:

• Aumento di temperatura di 31,36 °C, per una separazione tra i piani di 21,65 mils.
• Aumento di temperatura di 32,20 °C, per una separazione tra i piani di 25,94 mils.

Se calcoliamo l'aumento di temperatura finale prodotto da queste due resistenze termiche in parallelo, otteniamo un risultato di 15,88 °C, un valore sufficientemente vicino al valore di progetto iniziale desiderato.

D'altra parte, richiamando i dati iniziali del nostro esempio, abbiamo ipotizzato che il nostro radiatore funzionasse con una corrente di riscaldamento di 9 A. In pratica, non progetteremo un PCB con una singola traccia spessa 1/2 oz per pollice di spazio e larga 208,6 mils attraverso cui far passare quella corrente. Considereremo invece l'effetto cumulativo delle tracce all'interno di un'area di 1 pollice, la separazione stabilita dallo standard IPC-2152 per generare tutte le tabelle su cui ci siamo basati durante il processo di progettazione.

È stata utilizzata una topologia a maglia per tenere conto dell'effetto termico additivo prodotto, sommando la corrente di tutte le tracce per pollice di superficie.

A tale scopo, abbiamo creato una mesh lungo i due strati interni, come mostrato in figura, posizionando le tracce orizzontali sullo strato L3 e le tracce verticali sullo strato L4.

Questa disposizione determina la distribuzione delle piste mostrata nelle figure seguenti, con un totale di 16 piste situate all'interno di un'area di
1 pollice per lato. Dividiamo quindi la larghezza totale delle piste risultante per le 16 piste che contribuiranno a riscaldare l'area, ottenendo una larghezza per pista di 208,6/16 = 13,04 mils (0,33 mm).

Con questa larghezza della pista, uno spessore di ½ oz e una lunghezza totale di 8,6 m, la resistenza risultante è di 21,3 Ω, che, se collegata all'uscita di un regolatore di tensione da 12 V, produce una corrente di 0,562 A. Calcolando la corrente accumulata che scorre nel nostro spazio laterale di 1 pollice, otteniamo i 9 A che abbiamo utilizzato nei nostri calcoli iniziali.

La distribuzione della lunghezza totale delle tracce all'interno del PCB avviene nel rispetto della separazione stabilita per ottenere 16 tracce/pollice, e i risultati finali del funzionamento del sistema sono mostrati nelle figure seguenti, ottenute con una termocamera.

Vista 3D del PCB

Dettaglio delle tracce che fungono da riscaldatore

Immagine termica a 25 °C

Immagine termica a 31 °C

Immagine termica a 35 °C

Immagine termica a 40 °C

Conclusione

È stata effettuata una revisione delle considerazioni da tenere presenti nella
previsione del comportamento termico di un PCB, con particolare enfasi sullo standard IPC-2152, mostrando anche un esempio di utilizzo di tale standard nella progettazione di un riscaldatore
integrato in un PCB che sfrutta il riscaldamento indotto dal passaggio di corrente elettrica attraverso le sue piste.

Ci auguriamo che queste linee guida di progettazione possano servire come punto di partenza per la progettazione termica del vostro PCB e, in ogni caso, noi di NCAB saremo lieti di aiutarvi con qualsiasi
domanda tecnica possiate avere, per affrontare con sicurezza la progettazione termica del vostro PCB.

Autore: Di: Juan Luis Tébar García, Gruppo NCAB http://www.ncabgroup.com/