Generalmente la gestión de la temperatura en los PCBs se suele centrar siempre en el problema del exceso de calor generado, y se suele obviar el fenómeno opuesto, aquellas situaciones en las que conviene subir la temperatura por encima de un valor mínimo, es decir, calentar el PCB, para no sacar a los componentes electrónicos de su margen de trabajo inferior.
Existen, por tanto, diferentes casos de uso en lo que a gestión térmica se refiere:
• El caso más normal corresponde a disipar el calor generado en la PCB de forma que, tanto los componentes como los materiales de la PCB mantengan su integridad y puedan funcionar dentro de los límites máximos de temperatura.
• El segundo caso consiste en calentar deliberadamente la PCB para mantener el sistema dentro de los márgenes de funcionamiento, a temperatura por encima de la mínima de trabajo.
Por poner un ejemplo, la temperatura de la atmósfera a 10 km de altitud desciende aproximadamente 65 °C con respecto a la temperatura a nivel del mar. Eso quiere decir que una aeronave que trabaja a esa altitud deberá llevar su electrónica calefactada de alguna forma para que los sistemas funcionen correctamente. Lo mismo ocurre en aplicaciones ambientales extremas: Antártida, satélites, etc. Incluso con componentes con margen de temperatura militar (entre -55 y 125 °C) se podrían exceder los límites de operación.
En un circuito impreso existen dos orígenes de calor: los componentes electrónicos y los conductores de cobre que los unen. Con respecto a los componentes, revisaremos las técnicas de difusión del calor que generan, dando recomendaciones prácticas a la hora de diseñar de manera óptima un PCB para la evacuación del calor. Con relación al calor generado al paso de la corriente por las pistas, se describe la norma IPC-2152, y se estudia un caso práctico de diseño, mostrándose los resultados obtenidos.
Estándares IPC y el Control de Temperatura
Los primeros datos experimentales registrados con relación al calentamiento de las pistas de los PCBs arrancan a mediados del siglo pasado. Fueron tomados midiendo la temperatura de las pistas externas al paso de diferentes corrientes, y para las pistas interiores se utilizó la intuición y se supuso que la temperatura sería aproximadamente el doble que la del exterior.
Estos resultados, condensados en la norma MIL-STD-1495, se publicaron años más tarde como parte del estándar IPC-D-275. Posteriormente, de nuevo se volvieron a incluir en la normativa IPC-2221, y con ellos se ha estado diseñando PCBs hasta apenas hace unos pocos años.
Finalmente, IPC patrocinó un estudio exhaustivo sobre la materia, y estos datos dieron lugar a las nuevas tablas que se publicaron en 2009 dentro de la norma IPC-2152. Los nuevos valores, mucho más detallados que los disponibles hasta entonces y particularizando situaciones muy distintas, supusieron algunos cambios:
• Para las capas externas los datos de temperatura se corrigieron aproximadamente un 25% a la baja.
• Con respecto a las capas internas, la sorpresa surgió al descubrirse que se refrigeran casi tan bien, o incluso mejor, que las capas externas. Esto sucede porque los materiales internos de la PCB extraen el calor de las pistas mejor de lo que lo hace el aire.
La tabla principal de la norma IPC-2152, que se utiliza como base del resto de cálculos es la famosa gráfica de su Figura 5-2. En ella se relacionan corrientes con sección transversal de pistas, para diferentes incrementos de temperatura sobre la temperatura ambiente. Esta tabla aplica a PCBs cuya área es >= 3x3”. Para PCBs menores, se utiliza la tabla más conservadora de su Figura 5-1.
Gráfica equivalente a la Figura 5-2 de la norma IPC-2152
Otras características iniciales de esta “tabla universal” son el estar generada para un espesor de 3oz de cobre, y sobre un sustrato de poliamida con espesor de 70 mils (1,77 mm).
A partir de esta tabla genérica, la norma establece otras tablas diversas auxiliares con factores de corrección sobre los valores “universales” en función de diferentes factores:
• Ajuste según el espesor del cobre base: se generan factores de corrección para espesores de 0,5oz, 1oz, 2oz (3oz es el valor inicial).
• Ajuste según el plano más cercano al de la traza que genera el calor. Este plano es el que más influye en la dispersión del calor, dado que es la principal superficie disipadora, y se generan factores de corrección para planos a separaciones de 5, 20 y 40 mils.
• Ajuste según el tipo de material aislante, consistente en un factor adicional para los PCBs en material FR4.
• Ajuste según el espesor total de la PCB, con factores de multiplicación para espesores de 38 y 59 mils (70 mils es el valor inicial).
Las diversas gráficas y sus coeficientes de corrección permiten calcular con razonable exactitud el incremento de temperatura que sufrirá el PCB sobre la temperatura ambiente.
Si a esta temperatura resultante le sumamos el margen de seguridad que deseemos establecer en nuestro proyecto, obtendremos la temperatura Tg mínima del material con el que debemos construir nuestra PCB.
Calor Generado por los Componentes Discretos
En algunos casos, un componente discreto puede estar funcionando dentro de su propio margen seguro de funcionamiento, y a la vez la temperatura que adquiere su carcasa es bastante mayor del valor Tg del material de la PCB (NdA: este autor puede atestiguar haber visto cómo un transistor CMOS fundía el estaño de sus soldaduras manteniendo éste un funcionamiento estable y sin destruirse… si bien no podía decirse lo mismo de la PCB donde estaba montado).
Se trata del caso de uso más normal, el del exceso de calor, y para afrontar este problema, tradicionalmente se ha utilizado la aproximación conocida como "ley de ohm" térmica. De este modo, se asimila la potencia disipada por el componente (W) a la corriente (A) de un circuito convencional de resistencias en serie. El exceso de temperatura a absorber (ºC) se “disipa” en las diferentes resistencias térmicas existentes (Rth en ºC/W), del mismo modo que el voltaje (V) se distribuye en nuestro circuito “virtual” de forma proporcional al valor de las resistencias eléctricas (Ohm).
El desarrollo de este método básico es ampliamente conocido, y es fácil encontrar información al respecto buscando en internet según los términos "ley de ohm térmica en PCBs". Un circuito térmico que ya no es tan fácil de resolver es el planteado en la figura anexa, que recuerda los complicados ejercicios de electrónica básica de los tiempos de estudiante:
Aquí no se va a desarrollar este caso porque deseamos que este artículo lo lea cuanto más público, mejor, pero se aprecian las diversas resistencias térmicas entre los diversos planos conductores implicados, las vías térmicas hasta capa BOTTOM, así como el resto de resistencias térmicas que ya se establecieron en el ejemplo básico. El esquema representa las distintas rutas y mecanismos de propagación del calor en el interior de la PCB.
En cualquier caso, sí podemos aportar recomendaciones prácticas extraídas de la literatura técnica para conseguir un buen diseño térmico (aunque éstas nunca podrán mejorar a los modernos programas de simulación):
• En una PCB de dos caras con cobre sólido, sin disipador, con convección de aire natural (sin ventilador), el tamaño mínimo del área necesario para disipar 1 W de
potencia para un incremento de 40 °C es de 15.3 cm². Aquí no hacemos referencia al grosor del cobre dado que se trata de evacuación de calor por convección, no por conducción. Eso sí, se presuponen ciertos condicionantes: que el aire circula libremente por ambas caras del PCB (el PCB no se encuentra en el interior de ningún chasis cerrado), y también que éste tiene un buen diseño térmico distribuyendo de forma óptima el calor desde el chip origen hasta los bordes del PCB. Los siguientes puntos ayudan a optimizar este segundo condicionante.
• Cuanto más grueso es el cobre, mejor se transmite el calor generado (por conducción). Una capa de cobre de 2oz tiene un 25% menos de resistencia térmica que una capa de 1oz (es decir, mejora la disipación de calor un 25%).
• Se debe intentar extender el plano de cobre por el que se propaga el calor y no hacer cortes perpendiculares en la dirección de su propagación.
• Si existe, colocar el disipador de calor en el camino de menor resistencia térmica a la unión del chip a refrigerar. Un encapsulado con apertura térmica inferior tiene menor resistencia térmica hasta la unión en este punto, por eso se obtiene un resultado más favorable si el disipador se coloca en la cara bottom del PCB.
• Si en el PCB hay varias fuentes de calor, se recomienda aplicar superposición. Esto es, resolver cada fuente de calor por separado, calculando el incremento de temperatura que ésta provoca en las ubicaciones de las demás fuentes de calor, y sumar todas las contribuciones individuales al final. Esto nos dará una buena estimación del incremento de temperatura en cada uno de los puntos.
Siguiendo con estas recomendaciones, enumeramos ahora diferentes efectos sobre el valor de resistencia térmica unión-ambiente θja final para un chip ya montado sobre un circuito, con diferentes configuraciones del PCB:
• El aumento del número de capas mejora la disipación térmica del conjunto: la mejora de resistencia térmica entre un PCB de 2 caras y otro de 4 capas con planos internos puede llegar hasta un 40% (decrece la θja final un 40%).
• La existencia de sendos planos en cara TOP y BOTTOM conectados a la zona de apoyo del chip a refrigerar o “dog bone”, también mejoran en hasta un 20% la disipación térmica del mismo.
• La estructura del cobre de estos planos TOP y BOTTOM también influye en la resistencia térmica final: Una cobertura de cobre reducida al 50% respecto a su superficie máxima ideal (plano de cobre sin discontinuidades), empeora aproximadamente un 3% la disipación térmica.
• El soldermask sobre los planos TOP y BOTTOM mejora la disipación térmica sobre un 4-5% (disminuye la θja final en ese margen). La máscara de soldadura tiene mejor radiación térmica que el cobre, aunque pueda resultar contra-intuitivo.
• El efecto de colocar vías térmicas en la región “dog bone” (debajo del encapsulado del chip), así como su tamaño, también mejora en gran medida la disipación térmica, disminuyendo la θja final. El valor de diámetro recomendado de vía es de 12~13 mil (0.30~0,33 mm), lo que puede bajar la θja final, entre un 15∼25%.
Una vía through-hole de 0,3 mm (12 mil) de diámetro y 18 um de cobre en sus paredes, tiene una resistencia térmica de 261 °C/W. La recomendación aquí es colocar cuantas más vías de este tipo sea posible, el número influye mucho, formando un array de 1 mm de espaciado en el pad térmico expuesto.
• Factores con poco efecto sobre el conjunto de θja total:
✔ La ubicación de las vías en la región de aterrizaje “dog bone”.
✔ La ubicación de las vías en la región aledaña, fuera de la región dog bone.
✔ Construcción del encapsulado del componente en la zona de apoyo.
✔ Materiales de los hilos de bonding (internos al chip).
• Factores de importancia:
✔ El tamaño del chip y el tamaño de la superficie de aterrizaje importan, cuanto mayores mejor.
✔ El porcentaje de superficie del PCB cubierto de máscara de soldadura: cuanto mayor porcentaje mejor. La resistencia total θja no se ve muy afectada si la reducción con respecto al máximo posible (100% del PCB cubierto de soldermask), es menor del 50% de la superficie (el empeoramiento de la θja es menor del 5%). Sin embargo, cuando la cobertura baja de ese nivel, el comportamiento térmico empeora en gran medida (hasta un 35% si la cobertura del soldermask cae al 5% de la superficie).
Recogiendo todas estas consideraciones, podríamos resumir como un conjunto de recomendaciones para diseño optimizado de una PCB desde el punto de vista térmico:
• Utilizar superficies de PCB cuanto mayores mejor y con espesores de cobre lo más grandes posibles (al menos 4 caras, con tamaño 3”x3”, y espesores 2oz/1oz/1oz/2oz).
• Utilizar vías térmicas en la zona de aterrizaje de los componentes a refrigerar, uniendo las capas top GND, GND interna y la bottom GND.
• Colocar las vías térmicas cerca de la periferia de los pads expuestos si no se puede colocar el máximo número de vías disponible en toda la superficie.
• Crear un plano de masa tan grande como nos lo permita la topología del PCB especialmente cerca del encapsulado a refrigerar, en las capas top, bottom e intermedia.
• Conectar el plano de GND con el pad de aterrizaje inferior de los encapsulados de los ICs “térmicos”.
• Unir los pines que pertenezcan a la misma conexión en los encapsulados de cada chip, como GND, PVIN, POUT. Ello permitirá maximizar el área de cobre justo al lado de los encapsulados.
• Hacer las pistas de conexionado tan largas como sea posible dado que sirven para conducir el calor hacia el exterior de los chips a refrigerar.
Calor Generado por las pistas del PCB
Para caracterizar el calentamiento experimentado por un PCB a causa de la corriente que circula por las pistas conductoras, la mejor referencia normativa es el estándar IPC-
2152. Esta norma especifica los incrementos de temperatura experimentados dentro de la propia PCB en función de la corriente circulante para muy diversas condiciones de
construcción de esta.
Utilizando las gráficas que esta normativa incorpora, se calcula el incremento de temperatura con respecto a la de ambiente, resultando de este modo la temperatura final del circuito. Este valor es el que no debe superar el valor crítico del material Tg de nuestro PCB.
Partiendo de la base de que la PCB bajo análisis o en diseño tiene un área superior a 3x3 in² (un cuadrado de 76,2 mm de lado), se toma como punto de partida la que se denomina “gráfica universal” de la norma. En caso de que la superficie de la PCB sea menor, se toma la “gráfica conservadora”.
En estas gráficas se obtiene directamente el área transversal de una pista de cobre para un flujo de corriente determinado y un incremento de la temperatura esperado. Como ya hemos destacado anteriormente, estas gráficas están obtenidas con unas condiciones de trabajo determinadas, y a partir de ellas, hay que aplicar coeficientes de corrección con vistas a ajustar los resultados a la especificación real de nuestro circuito:
• Se aplica la corrección por diferencias en el tamaño del cobre (la gráfica original está obtenida para pistas de 3oz de espesor).
• Se aplica una corrección adicional según la existencia de planos conductores cercanos a la pista conductora y su área, dado que éstos contribuyen en gran medida a la disipación del calor. La gráfica original está obtenida sin planos adyacentes.
• También hay que aplicar otra compensación en base al espesor final total de la PCB.
El gráfico universal se obtiene para un espesor total de 70 mils (1,778 mm).
• Si el PCB está construido con material FR-4 en lugar de con polyimida, también ha de aplicarse otro factor de corrección adicional.
Todos estos factores correctores están tabulados en la norma, y mediante ellos, conseguimos ajustar el área trasversal del conductor que produce el aumento de temperatura esperada en nuestro PCB.
Conviene resaltar aquí que las gráficas de la norma están obtenidas tomando en consideración que las pistas sobre la que se realiza el análisis están separadas entre sí una distancia mayor de 1" (25,4 mm), lo que a menudo no suele resultar muy práctico. En el caso en que las pistas estén más próximas entre sí, su temperatura aumentará. Para tener en cuenta este efecto, lo que se debe de hacer es utilizar la corriente combinada de todas ellas.
A modo de ejemplo, resumimos el proceso de diseño de un calentador implementado en la práctica sobre las pistas internas de una PCB de 6 capas. Las pistas que realizan la función de calentador van ubicadas en las capas L3 y L4, ambas están rodeadas de sendos planos de alimentación y masa en L2 y L5. El PCB está construido a partir de material FR-4, con un espesor de pistas de 0,5oz en todas las capas internas. Como el área de la PCB es superior a 3x3", podemos utilizar la gráfica universal y a partir de ahí, aplicar los distintos factores de corrección.
El espesor total del PCB es de 61 mils (1,55 mm), con un espesor de los dos cores internos de 0,55 mm (21,65 mils). Además, existe una separación entre ambos de 0,108 mm (por medio de una capa de prepreg 2116 con espesor de 4,28 mils). El detalle del stackup se muestra en la siguiente figura.
Se da la circunstancia de que cada pista que forma parte del calentador en L3 y L4 tiene un plano cercano a 21,65 mils, y también otro plano en el lado contrario lejano a 25,94 mils (21.65 + 4.28), de manera que existirá una doble refrigeración para cada una de las capas con pistas radiantes de nuestro calentador. Considerando estos dos efectos por separado, aplicaremos la norma IPC para calcular el efecto individual de cada uno de los planos cercanos a las pistas radiantes, y aplicando superposición, calcularemos la resistencia térmica total del equivalente “paralelo” de ambas resistencias térmicas. El efecto es idéntico para las dos capas con líneas térmicas L3 y L4.
Deseamos como dato de partida que el calentador incremente la temperatura del PCB unos 15 °C, con una corriente disponible según diseño para el mismo de 9 A.
Utilizando el enfoque de circuito equivalente de resistencias térmicas que ya mostramos en el apartado anterior, como el calor generado tiene dos rutas simultáneas por las que transmitirse, el efecto generado por los dos planos se corresponde con la existencia de dos resistencias térmicas aproximadamente iguales en paralelo. Sabemos que la resistencia final de dos resistencias conectadas en paralelo es menor que la menor de ellas y que si son iguales, el resultado es la mitad de su valor. Aplicando este concepto al juego de temperaturas, en la práctica esto supone asumir que el PCB refrigerará aproximadamente el “doble de mejor” que si sólo tuviera un plano. Por ello, realizaremos nuestros cálculos para cada plano individual considerando un incremento de temperatura individual deseada de 30 °C, asumiendo que la temperatura final será aproximadamente la resultante de dividir el incremento entre dos, obteniendo los 15 °C deseados.
A partir de aquí, utilizamos las tablas de la norma IPC suponiendo que sólo existe un plano refrigerante en lugar de dos, y supondremos como hemos dicho, un dato inicial de incremento de temperatura de 30 °C.
A continuación, indicamos como ejemplo una de las iteraciones realizadas durante los cálculos.
Incluyendo las variables conocidas sin incluir ninguna compensación, en la tabla universal obtenemos el valor inicial del área de sección cruzada (Ac) de cobre de 299,7 mil², lo que equivale a una anchura de traza (W) de 76,8 mils para pistas de 3oz de espesor, el contemplado por la tabla universal.
Ac = 299,7 mil², W= 76,8 mil @ 3oz, Incremento de temperatura de 30 °C
Incluimos ahora los siguientes coeficientes de compensación:
• Pistas de 1/2oz en lugar de 3oz: multiplicador por 0.858 según la tabla de compensación por espesor del cobre. Ac = 257,3 mil²
• Espesor total del circuito de 61 mils en lugar de 70 mils: multiplicador por 1.084 utilizando la tabla de espesores. Ac = 279 mil²
• Tener un plano de 1/2oz a una separación de 21,65 mils de las pistas: multiplicador por 0.53, según la tabla de proximidad de planos. Ac = 147,5 mil²
• Por tener un plano actuando de disipador con un área mayor de 3x3 in²: multiplicador por 0.95. Ac = 140,4 mil²
• Utilizamos material FR-4 en lugar de Polyimida: según la tabla de material, aplicamos un multiplicador por 1.02. Ac = 143,2 mil², W= 209,11 mil
Realizamos a continuación el mismo ejercicio para nuestro siguiente plano disipador, que está a una distancia de 25,94 mils de las pistas calentadoras. El resultado de área de sección transversal y anchura de traza es el siguiente: Ac = 146,37 mil², W= 213,73 mil
Ahora debemos realizar diversas iteraciones hasta obtener el mismo resultado de área en ambos casos. Para ello modificamos ligeramente en cada caso los incrementos de
temperatura considerados hasta obtener un mismo ancho de pista. En nuestro caso, el valor de equilibrio lo obtenemos para el siguiente resultado:
Ac = 142,9 mil², W= 208,6 mil, que se obtiene para unos valores de partida:
• Incremento de temperatura de 31,36 °C, para la separación de plano de 21,65 mils.
• Incremento de temperatura de 32,20 °C, para la separación de plano de 25,94 mils.
Si calculamos el incremento de temperatura final que producen estas dos resistencias térmicas en paralelo, obtenemos un resultado de 15,88 °C, valor que se acerca lo suficientemente al valor de diseño inicial buscado.
Por otro lado, recordando los datos de partida de nuestro ejemplo, considerábamos que el funcionamiento de nuestro radiador disponía de una corriente de calentamiento de 9 A. En la práctica no vamos a diseñar un PCB con una única pista de 1/2oz de espesor por cada pulgada de espacio y 208,6 mils de anchura por la que haremos pasar esa corriente. En lugar de ello, consideraremos el efecto acumulado de pistas que están dentro de un área de 1 in, separación establecida por la norma IPC-2152 para generar todas las tablas en las que nos hemos apoyado durante el diseño.
Topología de trazas malladas empleada, para considerar el efecto aditivo de calentamiento que producen, sumando la corriente de todas ellas por pulgada superficial.
Con este propósito, realizamos un mallado a lo largo de las dos capas interiores como el que se muestra en la figura, colocando pistas horizontales sobre la capa L3 y verticales sobre la L4.
Mediante esta disposición se consigue obtener la distribución de pistas que se muestra en las figuras siguientes, resultando un total de 16 pistas ubicadas dentro de un área de
lado 1 in. Dividimos a continuación la anchura de pista total resultante entre las 16 pistas que van a contribuir al calentamiento del área, obteniéndose una anchura por pista de 208.6/16 = 13,04 mils (0,33 mm).
Con este ancho de pista, un espesor de ½oz y una longitud total de 8,6m, la resistencia resultante es de 21,3 Ω, que conectada a la salida de un regulador de tensión de 12 V, produce una intensidad de 0,562 A. Calculando el acumulado de corriente que fluye dentro de nuestro espacio de 1 in de lado, obtenemos los 9 A que empleamos en nuestros cálculos de partida.
La distribución de esta longitud total de pista dentro de la PCB se hace cumpliendo con la separación establecida para obtener las 16 pistas/in., y los resultados finales del funcionamiento del sistema se aprecian en las figuras siguientes, obtenidas con cámara térmica.
Vista 3D del PCB
Detalle de las pistas que funcionan como calentador
Imagen térmica a 25 °C
Imagen térmica a 31 °C
Imagen térmica a 35 °C
Imagen térmica a 40 °C
Conclusión
Se ha realizado un repaso a las consideraciones a tener en cuenta a la hora de
prever el comportamiento térmico de una PCB, con especial énfasis en la norma IPC-2152, mostrando asimismo un ejemplo de uso de dicha norma en el diseño de un calentador
embebido dentro de una PCB aprovechando el calentamiento inducido por el paso de la corriente eléctrica a través de sus pistas.
Esperamos que estas pautas de diseño puedan servirle de ejemplo de partida en su diseño térmico y en cualquier caso, en NCAB estaremos encantados de ayudarle en cuantas dudas
técnicas le puedan surgir para afrontar con garantías el diseño térmico de su PCB.
Autor: Por: Juan Luis Tébar García, NCAB Group http://www.ncabgroup.com/
