Como as PCBs de alumínio melhoram a condutividade térmica

A gestão térmica tornou-se uma das questões mais importantes no design eletrónico, à medida que os dispositivos eletrónicos modernos ficam cada vez mais pequenos e potentes. As PCBs podem ter diferentes tipos de núcleos e materiais. No passado, já abordámos uma ampla variedade desses materiais. Hoje, no entanto, o foco principal são as PCBs com núcleo metálico. Uma dissipação de calor inadequada nas PCBs convencionais pode levar a um desempenho inferior dos dispositivos eletrónicos, reduzir a sua vida útil ou até provocar falhas catastróficas.

Em comparação com as placas FR-4 convencionais, as PCBs de alumínio apresentam uma melhor condutividade térmica, o que as torna uma alternativa eficiente. As características que diferem são apresentadas neste artigo. Além disso, iremos analisar a estrutura, as vantagens e as aplicações das PCBs de alumínio, bem como a forma como contribuem para uma melhor dissipação do calor.

O que é uma PCB de alumínio?

Uma placa de circuito impresso de alumínio, ou PCB de alumínio, é uma placa de circuito impresso de base metálica. Foi concebida para controlar o calor gerado pelos componentes de potência numa placa eletrónica. Utiliza o alumínio como substrato de base, em substituição da fibra de vidro convencional FR-4. A estrutura básica de uma PCB de alumínio é a seguinte:

1.Camada de Circuito de Cobre: A principal função desta camada é fornecer conectividade elétrica a todos os componentes da PCB. Em comparação com CCLs padrão (de uma a dez onças), a camada de cobre utilizada é relativamente mais espessa. Ao definir o preço de uma PCB, é possível escolher o peso do cobre. Uma camada de cobre mais espessa está associada a uma maior capacidade de condução de corrente.

2.Camada Dielétrica (Camada Isolante): A camada dielétrica, também chamada camada isolante, tem entre 50 e 200 μm de espessura. Como atua como camada de isolamento elétrico e condução térmica, deve apresentar baixa resistência ao calor e alta resistência aos sinais elétricos.

3.Camada Base Metálica (Alumínio): A base de alumínio é composta por um substrato de alumínio. Proporciona resistência mecânica à PCB, mas a sua principal função é dissipar calor, atuando como condutor térmico.

4.Camada de Membrana da Base de Alumínio: Este tipo de membrana é seletiva e tem função protetora, evitando a corrosão e arranhões indesejados na superfície metálica.

Por que a condutividade térmica é importante na eletrónica

O calor é gerado durante o funcionamento de componentes eletrónicos, como conversores de energia, LEDs e eletrónica automóvel. Se este calor não se dispersar rapidamente para o ambiente, os componentes circundantes aquecerão. O acúmulo excessivo de calor pode reduzir a vida útil dos componentes e causar fadiga nas juntas de solda. O sobreaquecimento de um componente pode levá-lo a queimar, provocando danos na PCB e em todo o circuito.

Condutividade Térmica em PCBs de Alumínio

1. Condutividade Térmica Superior do Alumínio É possível observar pelas características ao comparar os dois substratos lado a lado. O FR-4 tem uma condutividade térmica de 0,3 a 0,4 W/mK. Por outro lado, o alumínio apresenta uma condutividade térmica de cerca de 205 W/mK. Segundo esta comparação, as PCBs convencionais de FR-4 têm uma resistência térmica de 5,50 × 10⁻⁴ °C/W, quase 30% maior do que a das PCBs de alumínio. Como resultado, a eficiência de dissipação de calor destas placas é significativamente reduzida.
2. Papel da Camada Dielétrica Embora o alumínio tenha uma alta condutividade térmica, a transmissão de calor é muito auxiliada pela camada dielétrica que se encontra entre as trilhas de cobre e o alumínio. Em alguns projetos, a condutividade térmica da camada isolante varia entre 1 W/mK e 10 W/mK.

Equação da Resistência Térmica:

Uma melhor condução de calor é indicada por um valor Rth mais baixo. Os fabricantes melhoram significativamente o desempenho térmico das PCBs de alumínio ao maximizar os materiais dielétricos e reduzir a espessura.

Dissipação e Expansão Térmica em PCBs de Alumínio:

Na remoção de calor, as PCBs de alumínio superam as PCBs padrão de FR-4. Por exemplo, uma PCB de alumínio com 1,6 mm de espessura terá uma resistência térmica (TR) de 2–3 graus por watt, enquanto uma PCB de FR-4 da mesma espessura apresenta TR entre 22–25 graus por watt. O coeficiente de expansão térmica também varia de material para material. As PCBs de alumínio não apresentam problemas de expansão ou contração térmica devido às suas boas capacidades de dissipação de calor.

PCBs de Alumínio vs PCBs Tradicionais de FR-4

Aplicações das PCBs de Alumínio

1. Iluminação LED: As PCBs de alumínio são frequentemente usadas em luminárias e lâmpadas LED para controlar o calor gerado por LEDs de alta luminosidade. Como a base da PCB pode ser conectada diretamente ao dissipador de calor mais próximo, estão presentes em praticamente todas as lâmpadas LED.

2. Eletrónica de Potência: Utiliza-se quando há maior necessidade de energia ou quando se realiza conversão de tensão/corrente. Exemplos incluem fontes de alimentação, reguladores de tensão e conversores.

3. Eletrónica de Consumo: Devido à miniaturização dos dispositivos eletrónicos, pequenos dissipadores podem não ser suficientes. Nesse caso, uma PCB de núcleo metálico será a escolha preferida. Aplicações incluem computadores, dispositivos móveis e retroiluminação de LCD.

4. Equipamentos Médicos: Equipamentos de precisão, como scanners de MRI, luzes cirúrgicas e instrumentos de diagnóstico, devem sempre manter os componentes frios, tornando as PCBs de alumínio ideais.

Conclusão

Nos casos em que o aquecimento dos componentes é um problema significativo, verificámos várias razões pelas quais as PCBs de alumínio se destacam. As PCBs de alumínio tornaram-se a opção preferida para gestão térmica devido à crescente necessidade de dispositivos pequenos e de alta potência. Superam as FR-4 em termos de resistência mecânica e elevada condutividade térmica. No entanto, existem outras técnicas para evitar que o calor entre nos circuitos durante a operação, e há sempre soluções de arrefecimento disponíveis, como arrefecimento ativo, dissipadores, heatpipes e ventoinhas básicas de CPU. Ao compreender os princípios da transferência de calor, os engenheiros podem criar dispositivos elétricos duráveis e eficientes.