I. ¿Qué son las vías térmicas?
Las vías térmicas son conjuntos de vías diseñadas específicamente para conducir rápidamente el calor de una capa de la placa de circuito impreso (generalmente la capa superior o interna, donde se ubican los componentes que generan calor) a otras capas (especialmente la capa inferior o interna de cobre). No son disipadores de calor, sino que son eficientes en la conducción del calor, difundiéndolo desde la fuente de calor hacia una mayor área de cobre en la placa, donde se disipa por convección y radiación.
II. Funciones y propósitos principales
1. Reducción de la resistencia térmica: Los chips (especialmente aquellos con almohadillas en la parte inferior, como QFN, DFN y BGA) presentan una alta resistencia térmica al aire. Las matrices de vías conducen el calor a una amplia superficie de lámina de cobre en la parte inferior o en las capas internas de la PCB, reduciendo significativamente la resistencia térmica total desde las uniones hasta el entorno.
2. Distribución y disipación del calor: Disipar el calor desde un punto (fuente de calor) a un área más grande rápidamente, evita el sobrecalentamiento localizado.
3. Conexión a estructuras térmicas: Conducción de calor a la parte posterior de la PCB, que también admite la instalación de disipadores de calor externos, la disipación de calor a través de la carcasa o la exposición directa al flujo de aire.
III. Consideraciones clave de diseño
1. Diseño y matriz
● Ubicados debajo de la fuente de calor: Normalmente, las vías se colocan directamente debajo de las almohadillas térmicas de los dispositivos que generan calor (como los chips).
● Formación en matriz: Utilizar una matriz compacta de vías, en lugar de vías individuales. Comúnmente se utiliza una formación en matriz o en quincunx para maximizar el área de conducción de calor.
2. Mediante parámetros
● Diámetro del orificio: Generalmente, los diámetros de las vías son pequeños (por ejemplo, de 0,3 mm a 0,5 mm). Los diámetros más pequeños permiten colocar más vías en un área limitada, lo que aumenta la superficie transversal total de conducción de calor. Sin embargo, deben tenerse en cuenta las capacidades de procesamiento del fabricante de la placa de circuito impreso (diámetro mínimo del orificio).
● Grosor del cobre en las paredes de los orificios: Maximice el grosor del cobre en las paredes de los orificios. Indique al fabricante de PCB que utilice un recubrimiento de cobre grueso o un chapado más grueso en las paredes de los orificios (por ejemplo, 1 onza o más). Esta es una de las formas más eficaces de mejorar la conductividad térmica.
● Espaciado: La distancia entre centros de las vías suele ser aproximadamente el doble del diámetro del orificio para garantizar anillos de cobre suficientes y evitar la rotura del orificio durante la perforación. Un espaciado demasiado denso puede provocar problemas de integridad de la señal (creando cavidades resonantes) o dificultades de fabricación.
3. Capas de conexión y máscara de soldadura
● Conecte todas las capas de cobre grandes posibles: Idealmente, las vías térmicas deberían conectarse a todos los planos internos de alimentación/tierra y a la lámina de cobre inferior. Esto equivale a conectar la fuente de calor a una gran "masa térmica".
● Aberturas de máscara de soldadura: En la parte posterior (capa inferior) de la PCB, en el área correspondiente a la vía, asegúrese de crear aberturas para la máscara de soldadura (es decir, evite que la máscara de soldadura cubra el cobre y las vías). Esto permite:
* Disipar el calor directamente al aire.
* Fácil de soldar disipadores de calor o bloques metálicos adicionales.
* Se puede aplicar pasta térmica si es necesario.
4. Conexión a las capas internas de cobre
● Las vías deben conectarse completamente a las capas internas de cobre (conexión por inundación), sin utilizar conexiones cruzadas de alivio térmico. Para la disipación de calor, necesitamos la ruta con menor resistencia térmica.
IV. Consideraciones en la simulación térmica
Al realizar simulaciones térmicas en software EDA (como ANSYS Icepak, Simcenter Flotherm, Altium Sim, etc.):
● La matriz de vías debe modelarse como un bloque equivalente térmicamente conductor, con una conductividad térmica equivalente mucho mayor que la del material FR-4 ordinario.
● El modelo debe tener en cuenta factores como el espesor de la pared de cobre de las vías, el material de relleno (aire o resina) y la densidad de empaquetamiento para calcular la conductividad térmica equivalente.
● El objetivo principal de la simulación es evaluar el impacto de diferentes diseños de vías en la temperatura de la unión del chip y la distribución de la temperatura de la superficie de la PCB.
V. Técnicas avanzadas y variaciones
1. Vías rellenas:
● Relleno conductor: Relleno con pasta de cobre o resina epoxi conductora, que ofrece una excelente conductividad térmica pero a un alto coste.
● Relleno no conductor: Relleno de resina y con recubrimiento superficial (VIPPO). Su principal función es evitar la pérdida de pasta de soldadura durante el montaje del chip en la cara frontal, y también proporciona una mejora en la conductividad térmica (superior a la del aire).
● Relleno de resina epoxi termoconductora: Relleno con un material aislante especial de alta conductividad térmica, que mejora la conductividad térmica a la vez que garantiza el aislamiento eléctrico.
2. Aplicable a dispositivos de alta potencia:
Las vías térmicas son esenciales para los MOSFET, los convertidores CC-CC de alta corriente, etc. Normalmente se colocan sobre una gran superficie debajo del dispositivo.
3. Precauciones:
● Integridad de la señal: Una densa red de vías puede alterar el plano de referencia que se encuentra debajo de las líneas de señal de alta velocidad (especialmente microondas y RF), creando discontinuidades. Se requiere una evaluación discreta.
● Problemas de soldadura: Si las vías están directamente sobre almohadillas de montaje superficial (especialmente almohadillas para chips pequeños), es fundamental un correcto sellado con máscara de soldadura para evitar la pérdida de pasta de soldadura durante la soldadura por reflujo, lo que provoca uniones de soldadura frías.
VI. Resumen del diseño
1. Identificar las fuentes de calor: Localizar los principales componentes que generan calor en la placa de circuito impreso (PCB).
2. Planifique las vías de disipación del calor: Determine qué capa (normalmente la parte posterior) conducirá el calor.
3. Colocar matriz de vías: Colocar vías densas y de pequeño diámetro debajo de las almohadillas térmicas del dispositivo.
4. Establecer propiedades de vía: Especifique el engrosamiento de la pared de cobre de vía, conectándola a todas las capas de cobre relevantes.
5. Máscara de soldadura: Asegúrese de que las aberturas de la máscara de soldadura estén en las áreas de disipación de calor posteriores.
6. Inspección DFM: Comuníquese con el fabricante de PCB para confirmar la viabilidad y el costo de procesos como el diámetro de los orificios, el espesor del cobre y el relleno de las vías.
7. Realizar simulación térmica: Verificar la eficacia del diseño.
En resumen, las vías térmicas en PCB son un método económico y eficiente para la disipación de calor integrada. Su objetivo principal es aprovechar toda la capa de cobre de la PCB como disipador de calor. El diseño de las vías es fundamental para una gestión térmica eficaz, especialmente en electrónica de potencia y dispositivos compactos.
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