Transferencia de calor en PCB: comprensión de la gestión térmica en placas de circuito impreso

Las placas de circuito impreso (PCB) generan calor durante su funcionamiento. Para evitar daños por calor, se necesitan técnicas adecuadas de flujo de calor que garanticen la disipación de esta energía.

Conceptos básicos de transferencia de calor

En un nivel fundamental, el análisis de la transferencia de calor abarca dos aspectos clave: la temperatura y el flujo de calor. La temperatura se refiere al grado de energía térmica disponible, mientras que el flujo de calor describe el movimiento de energía térmica de un lugar a otro. A nivel microscópico, la energía térmica está directamente relacionada con la energía cinética de las moléculas. Cuanto mayor es la temperatura de un material, mayor es la agitación térmica de sus moléculas. Es normal que las regiones con mayor energía cinética la transfieran a regiones con menor. Diversas propiedades de los materiales pueden regular eficazmente la transferencia de calor entre dos regiones con diferentes temperaturas. Estas propiedades incluyen la conductividad térmica, la densidad del material, la velocidad y la viscosidad del fluido. En conjunto, estas propiedades dificultan la resolución de numerosos problemas de transferencia de calor. La conductividad térmica es una propiedad crítica en la transferencia de calor, ya que determina la capacidad de un material para conducir el calor. Los materiales con alta conductividad térmica pueden transferir el calor de forma más eficiente que aquellos con baja conductividad térmica. La densidad del material también es un factor importante, ya que los materiales más densos pueden almacenar más energía térmica y ayudar a regular los cambios de temperatura a lo largo del tiempo. Las velocidades y viscosidades de los fluidos también pueden afectar la transferencia de calor, ya que los fluidos con altas velocidades y bajas viscosidades pueden transferir calor más rápidamente que aquellos con bajas velocidades y altas viscosidades.

Los mecanismos de transferencia de calor

Los mecanismos de transferencia de calor se pueden clasificar en tres grupos: Conducción: Implica la transferencia de energía térmica desde zonas con mayor energía cinética molecular a zonas con menor energía cinética mediante colisiones directas entre moléculas. En los metales, los electrones de la banda de conducción también pueden transportar parte de la energía de una región a otra. Convección: Cuando se genera calor en un dispositivo electrónico, este se transporta por conducción a una región adyacente, que a su vez transfiere el calor a un fluido. Este proceso se conoce como convección, y el fluido puede estar en forma de gas, como el aire, o de líquido convencional, como el agua. Radiación: Todos los materiales emiten energía térmica, y la cantidad de energía emitida está determinada por la temperatura. Cuando las temperaturas son uniformes, el flujo de radiación está en equilibrio entre los objetos y no hay intercambio de energía térmica. Sin embargo, este equilibrio se altera cuando las temperaturas varían, y la energía térmica se transfiere de regiones con temperaturas más altas a regiones con temperaturas más bajas. Comprender estos tres mecanismos de transferencia de calor es crucial para optimizar la gestión térmica de dispositivos electrónicos y otros sistemas. Al manipular y controlar estos mecanismos, los ingenieros y científicos pueden diseñar y optimizar materiales y sistemas para lograr un rendimiento térmico óptimo.

Técnicas de diseño de PCB para transferencia de calor

Para la gestión térmica de las PCB, existen diversas técnicas disponibles. Entre ellas se incluyen:

• Disipadores de calor. Esta técnica utiliza grandes piezas metálicas de alta conductividad. Estas piezas se fijan a las partes que generan calor y exponen una mayor superficie al aire. Esta configuración reduce la resistencia térmica y, con un ventilador, se mejora aún más el flujo de calor.
• Vertidos de cobre. Al rellenar las zonas no utilizadas con metal y conectarlo a tierra, cualquier componente de la placa de circuito impreso se conectará a tierra fácilmente.
• Vías térmicas. Usadas frecuentemente con vertidos de cobre, las vías térmicas crean una ruta hacia el cobre y los componentes de la PCB.
• Vías rellenas de cobre. Las vías se pueden rellenar con cobre para mejorar la transferencia de calor.
• Materiales de mayor conductividad térmica. Materiales como el aluminio, la cerámica y el núcleo de cobre se utilizan para mejorar la conductividad térmica de la PCB.