Cómo las PCBs de aluminio mejoran la conductividad térmica

La gestión térmica se ha convertido en uno de los aspectos más importantes en el diseño electrónico, ya que los dispositivos electrónicos contemporáneos son cada vez más pequeños y potentes. Las PCBs (placas de circuito impreso) utilizan una variedad de núcleos y materiales. En el pasado, hemos hablado de muchos de estos materiales. Hoy, sin embargo, nos centraremos en las PCBs de núcleo metálico. Una mala disipación de calor en las PCBs convencionales provoca que los dispositivos electrónicos funcionen de manera menos eficiente, que duren menos tiempo o, en el peor de los casos, que fallen catastróficamente.

En comparación con las placas FR-4 convencionales, las PCBs de aluminio tienen una mejor conductividad térmica, lo que las convierte en una alternativa eficiente. A continuación, se detallan las características que varían. Además, examinaremos la construcción, los beneficios y las aplicaciones de las PCBs de aluminio, así como cómo mejoran la conductividad térmica.

¿Qué es una PCB de aluminio?

Una PCB de aluminio es una placa de circuito impreso basada en metal, diseñada para controlar el calor producido por la electrónica de potencia en una placa de circuito. Sustituye el sustrato de fibra de vidrio convencional (FR-4) por aluminio. La estructura básica de una PCB de aluminio es la siguiente:

1. Capa de circuito de cobre: La función principal de esta capa es proporcionar conectividad eléctrica a todos los componentes de la PCB. En comparación con las CCL estándar (de una a diez onzas), la capa de cobre utilizada es relativamente más gruesa. Al fijar el precio de una PCB, tiene la opción de seleccionar el peso del cobre. Una mayor capacidad de transporte de corriente está asociada a un recubrimiento más grueso de cobre.

2. Capa dieléctrica (capa aislante): La capa dieléctrica, también conocida como capa aislante, tiene un grosor de aproximadamente 50 a 200 μm. Dado que actúa como una capa de aislamiento eléctrico y conducción térmica, debe tener baja resistencia al calor y alta resistencia a las señales eléctricas.

3. Capa base de metal (Aluminio): La base de aluminio está compuesta por un sustrato de aluminio. Proporciona resistencia mecánica a la PCB, pero su función principal es disipar el calor actuando como conductor térmico.

4. Capa de membrana base de aluminio: Este tipo de membrana es selectiva. Cumple una función protectora al evitar el grabado no deseado y los arañazos en la superficie metálica.

¿Por qué es importante la conductividad térmica en electrónica?

El calor se genera durante la operación de componentes electrónicos, como convertidores de potencia, LEDs y electrónica automotriz. Si este calor no se dispersa rápidamente al entorno, los componentes cercanos se calentarán. El exceso de acumulación de calor puede reducir la vida útil de los componentes e incluso causar fatiga en las juntas de soldadura. El sobrecalentamiento de un componente puede llevar a su combustión, incendiando la PCB y todo el circuito.

Conductividad térmica en las PCBs de aluminio

1. Superior conductividad térmica del aluminio

Al comparar ambos sustratos, se observa que el FR-4 tiene una conductividad térmica de 0.3 a 0.4 W/mK. Por otro lado, el aluminio tiene una conductividad térmica de aproximadamente 205 W/mK. En comparación, las PCBs tradicionales de FR-4 tienen una resistencia térmica de 5.50 × 10⁻⁴ °C/W, que es casi un 30% mayor que la de las PCBs de aluminio. Como resultado, su eficiencia en disipación de calor se ve significativamente reducida.

2. Rol de la capa dieléctrica

Aunque el aluminio tiene una alta conductividad térmica, la transmisión térmica es fuertemente facilitada por la capa dieléctrica que se encuentra entre las trazas de cobre y el aluminio. En algunos diseños, la conductividad térmica de la capa aislante está entre 1 W/mK y 10 W/mK.

Ecuación de resistencia térmica:

Donde:

• Rth = Resistencia térmica (°C/W)
• t = Espesor del dieléctrico (m)
• k = Conductividad térmica (W/m·K)
• A = Área de flujo de calor (m²)

Una mejor conducción de calor se indica con un valor de Rth más bajo. Los fabricantes mejoran significativamente el rendimiento térmico de las PCBs de aluminio maximizando los materiales dieléctricos y reduciendo el grosor.

Disipación térmica y expansión en las PCBs de aluminio

En la eliminación de calor, las PCBs de aluminio superan a las PCBs estándar de FR-4. Por ejemplo, una PCB de aluminio con un grosor de 1.6 mm tendrá una resistencia térmica (TR) de entre 2 y 3 grados por vatio. Mientras tanto, una PCB de FR-4 de igual grosor tendrá una TR de entre 22 y 25 grados por vatio. El coeficiente de expansión térmica también varía de un material a otro. Las PCBs de aluminio no tienen problemas de expansión o contracción térmica debido a sus excelentes capacidades de disipación térmica.

PCBs de Aluminio vs. PCBs Tradicionales FR-4

Aplicaciones de las PCBs de aluminio

1. Iluminación LED: Las PCBs de aluminio se utilizan frecuentemente en luminarias LED y bombillas para controlar el calor generado por los LEDs de alta luminosidad. Dado que la base de la PCB puede conectarse directamente al disipador de calor más cercano, están presentes en todas las bombillas LED.

2. Electrónica de potencia: Se utilizan cuando se requiere mayor potencia o cuando se está realizando una conversión de voltaje/corriente. Ejemplos incluyen fuentes de alimentación, reguladores de voltaje y convertidores.

3. Electrónica de consumo: Dado que los artículos electrónicos se están reduciendo de tamaño, los pequeños disipadores de calor ya no son la mejor opción. En este caso, una PCB de núcleo metálico será la opción preferida. Las aplicaciones en electrónica de consumo incluyen computadoras, dispositivos móviles y retroiluminación de pantallas LCD.

4. Equipos médicos: Escáneres de MRI, luces quirúrgicas e instrumentos de diagnóstico son algunos ejemplos de los equipos eléctricos más precisos que siempre deben mantenerse a baja temperatura.

Conclusión

En casos donde el calentamiento de los componentes es un problema importante, hemos visto varias razones por las que las PCBs de aluminio son superiores. Hoy en día, las PCBs de aluminio son la opción preferida para la gestión térmica debido a la creciente demanda de dispositivos pequeños y de alta potencia. Superan al FR-4 en términos de dureza mecánica y conductividad térmica. Sin embargo, existen técnicas adicionales para evitar que el calor entre en los circuitos mientras están operando, y siempre hay soluciones de refrigeración disponibles. Estas soluciones incluyen técnicas de refrigeración activa, disipadores de calor, tubos de calor y ventiladores básicos de CPU. Los ingenieros pueden crear dispositivos electrónicos duraderos y eficaces comprendiendo los principios de la transferencia de calor.