Un disipador térmico para PCB ayuda a transferir el calor de un componente al aire circundante o a un chasis. Su rendimiento depende de toda la trayectoria térmica. Un disipador que funciona al aire libre puede comportarse de forma diferente dentro de una carcasa, mientras que un dispositivo que evacúa la mayor parte de su calor por la cara inferior puede beneficiarse más de una trayectoria entre la placa y el chasis que de un disipador colocado encima.

Siga la trayectoria del calor desde el dispositivo hasta el disipador propuesto y, desde allí, hasta el entorno. Compruebe esa trayectoria en las condiciones reales de montaje, flujo de aire, carcasa y funcionamiento.

Identifique las vías de salida del calor del dispositivo

Un componente puede evacuar calor por varias vías a la vez. La PCB puede constituir una vía térmica principal, una vía complementaria o una vía paralela a la de un disipador conectado en otra ubicación. No suponga que cada vatio atraviesa la misma serie de materiales.

Tres configuraciones son puntos de partida útiles:

Disipador montado en el dispositivo: El disipador entra en contacto con una superficie adecuada del encapsulado, generalmente a través de un material de interfaz térmica (TIM). El calor atraviesa el encapsulado y la interfaz hasta llegar al disipador, y después se evacúa al entorno. Compruebe si la superficie del encapsulado está prevista para este uso y si el encapsulado puede soportar el método de fijación.
Disipador acoplado a la placa: El calor pasa del dispositivo al cobre de la PCB, posiblemente a través de vías térmicas, y llega a un disipador u otra superficie de refrigeración acoplada a la placa. El cobre, las vías, la construcción de la placa y el área de contacto influyen en la trayectoria.
Trayectoria hacia el chasis: El calor llega a una carcasa o a un chasis a través de una interfaz con el encapsulado o la placa y de un sistema de montaje. El chasis debe disponer de una vía viable para evacuar ese calor al entorno; un gran tamaño físico no garantiza por sí solo una refrigeración suficiente.

Estos enfoques pueden coexistir. Por ejemplo, un disipador montado en la parte superior puede evacuar una parte del calor mientras la PCB conduce el resto hacia puntos de montaje cercanos. El reparto cambia según la construcción y las condiciones de contorno, por lo que tratar las vías como una única cadena fija en serie puede llevar a decisiones de diseño equivocadas.

Reúna los datos de partida antes de seleccionar un disipador

Comience por el dispositivo y las condiciones a las que estará sometido en el conjunto.

Fuente de calor y potencia disipada. Identifique cada componente relevante que genere calor y su potencia disipada a lo largo del perfil de funcionamiento. La potencia eléctrica de entrada no equivale automáticamente al calor generado por el componente: tenga en cuenta la potencia entregada a otros elementos y otros comportamientos específicos del dispositivo. Registre las condiciones de pico, sostenidas y de ciclo de trabajo, incluidas las fuentes cercanas que puedan calentar la misma placa o el aire.

Límite de temperatura y referencia. Establezca la temperatura de unión admisible o el límite especificado para el punto de medición a partir de la documentación aplicable del dispositivo, incluido cualquier margen exigido por el proyecto. Registre dónde puede medirse realmente la temperatura. Una medición en la parte superior del encapsulado, una medición en la placa y la temperatura ambiente no son intercambiables.

Encapsulado e información térmica. Determine por dónde puede entrar o salir el calor del encapsulado y qué parámetros térmicos son aplicables a la estimación prevista. La construcción del encapsulado, las almohadillas expuestas y la disposición de placa recomendada por el fabricante del dispositivo pueden determinar si es viable un enfoque con disipador superior o acoplado a la placa.

Ambiente y carcasa. Defina la peor condición ambiente razonablemente previsible en el lugar de funcionamiento del conjunto. Considere cómo el calentamiento de la carcasa, los componentes adyacentes y las aberturas restringidas afectan al aire que llega al disipador. La temperatura ambiente utilizada para un cálculo o ensayo debe definirse de forma coherente; la temperatura de la sala fuera de una carcasa cerrada no es necesariamente la temperatura del aire alrededor del dispositivo.

Espacio, flujo de aire y orientación. Registre el volumen disponible para el disipador, la interfaz y los elementos de montaje. Incluya las zonas de exclusión, el acceso para el montaje y las rutas del flujo de aire. La orientación puede afectar a la convección natural, mientras que los ventiladores, los obstáculos cercanos y la recirculación pueden modificar el flujo de aire forzado. La especificación publicada de un disipador está vinculada a las condiciones de ensayo del fabricante; esas condiciones pueden diferir considerablemente de las del conjunto instalado.

Restricciones de instalación y eléctricas. Identifique las superficies de fijación permitidas, las necesidades de aislamiento eléctrico, las distancias de separación y las cargas mecánicas admisibles. Determine si la placa o el encapsulado necesitan apoyo frente a las fuerzas de montaje y la manipulación. El mejor contacto térmico no resulta útil si la instalación provoca un fallo eléctrico o somete el conjunto a esfuerzos.

Elabore un presupuesto térmico sin mezclar parámetros

Un presupuesto térmico relaciona la potencia disipada con el aumento de temperatura que el diseño puede tolerar. Como punto de partida, reste la temperatura de referencia pertinente de la temperatura admisible de unión o del punto de medición. El resultado es el aumento de temperatura disponible para la condición seleccionada. A continuación, el diseño debe proporcionar una trayectoria térmica que mantenga el dispositivo dentro de ese margen para la potencia disipada razonablemente previsible en funcionamiento.

Para una única trayectoria en serie a modo ilustrativo, el aumento de temperatura puede estimarse multiplicando el flujo de calor por la suma de las resistencias térmicas aplicables. Esta aproximación solo es útil cuando las resistencias describen la trayectoria real, sus condiciones de contorno coinciden y se ha tenido en cuenta el calor que circula por vías paralelas. Una trayectoria del encapsulado al disipador y al aire no representa automáticamente todo el sistema si la PCB también conduce una cantidad considerable de calor.

Preste especial atención a los parámetros de la hoja de datos del encapsulado:

No sume la resistencia de unión a ambiente de la hoja de datos, RθJA, a una resistencia independiente de la trayectoria del disipador. RθJA refleja una placa de ensayo y un entorno definidos, y puede variar considerablemente con la construcción de la placa, el flujo de aire y el entorno. Añadirle una trayectoria de disipador como si fuera una resistencia exclusiva del encapsulado puede contabilizar dos veces el flujo de calor o representarlo incorrectamente.
No trate un parámetro psi como una resistencia térmica. Un parámetro de caracterización térmica relaciona una estimación de la temperatura de unión con una medición de referencia especificada bajo sus condiciones definidas; no es intercambiable con una resistencia en una red arbitraria en serie.
Haga corresponder cada parámetro con su temperatura de referencia y su definición. Un valor previsto para un punto de medición o una condición de ensayo no debe aplicarse a otro sin la orientación del fabricante.

Texas Instruments, Semiconductor and IC Package Thermal Metrics, SPRA953D, explica la dependencia de los parámetros del encapsulado respecto de sus condiciones de ensayo y la distinción entre resistencias y parámetros de caracterización. Utilice la orientación del fabricante del dispositivo para la medición y la modelización. Una estimación es una herramienta de evaluación preliminar; no determina el rendimiento del conjunto instalado cuando se desconocen el reparto del flujo de calor o las condiciones de contorno.

Diseñe la trayectoria térmica del lado de la placa

El cobre puede distribuir el calor lejos de un componente y conducirlo hacia un disipador, un contacto con el chasis u otra zona de la placa. Su eficacia depende de la geometría del cobre disponible, las conexiones entre capas, las fuentes de calor cercanas y los puntos por los que el calor puede salir del conjunto. Una gran superficie de cobre confinada dentro de una carcasa caliente puede distribuir el calor sin evacuar una cantidad suficiente.

Las vías térmicas pueden conectar regiones de cobre de diferentes capas y ayudar a alejar el calor de una almohadilla expuesta u otro punto de contacto del dispositivo. Su contribución depende de toda la estructura de capas y de los detalles de fabricación. Un mayor número de vías no garantiza una mejora lineal: el factor limitante puede ser, en cambio, la interfaz del encapsulado, la distribución del calor por el cobre, el contacto entre la placa y el disipador o la evacuación del calor fuera de la placa.

Para consultar opciones de construcción de placas, visite la página de APTPCB sobre selección de PCB de alta conductividad térmica. Cuando las vías se sitúan en una almohadilla soldable, la guía de fabricación de vías en almohadilla explica las decisiones de fabricación y montaje relacionadas.

Coordine el diseño de la placa con los requisitos de fabricación y montaje:

Identifique qué capas de cobre conectan las vías y si esas conexiones son eléctricamente admisibles. Una almohadilla térmica o un contacto con el chasis pueden tener un potencial eléctrico especificado o requerir aislamiento.
Documente la ubicación de las vías con respecto a las almohadillas soldables. Las vías situadas en una almohadilla o cerca de ella pueden absorber soldadura durante el montaje y afectar a la unión. Acuerde un tratamiento adecuado con los responsables de fabricación y montaje, en lugar de suponer que todas las vías están rellenas de cobre o cerradas de otro modo.
Conserve el área soldable y los detalles de conexión que requiere el dispositivo. Los cambios térmicos no deben comprometer la función eléctrica ni la capacidad de fabricación de la almohadilla.
Compruebe la estructura de capas, los elementos de cobre y los detalles de las vías frente al proceso previsto antes de liberar el diseño. Un plano que solo indica «añadir vías térmicas» deja sin resolver decisiones importantes.
Considere cómo se apoya la placa en el punto de contacto con el disipador o el chasis. Una interfaz térmica no puede compensar una flexión excesiva de la placa, una mala alineación o la pérdida de contacto durante la instalación.

NXP AN11753 ofrece orientación sobre vías y disipadores térmicos para un dispositivo específico. Texas Instruments TIDA030 también ilustra una trayectoria térmica específica de un dispositivo. Aplique sus recomendaciones a los dispositivos y condiciones que abarcan, en lugar de considerar universales sus dimensiones o resultados de rendimiento.

Haga que la interfaz y el montaje funcionen conjuntamente

Un disipador necesita un contacto reproducible con la superficie que debe refrigerar. El TIM rellena las imperfecciones entre las superficies de contacto, pero su comportamiento una vez instalado depende del material seleccionado, el área de contacto, el espesor de la capa y las condiciones de montaje. Un plano debe definir cómo se aplica o instala la interfaz, no limitarse a nombrar una familia de materiales.

Compruebe la planitud y las tolerancias del encapsulado, la placa, el disipador y cualquier contacto con el chasis. Determine cómo los elementos de montaje establecen el contacto y si aplican la carga en zonas donde el encapsulado y la placa puedan soportarla sin riesgo. Incluya la sujeción mecánica, el acceso para la instalación y cualquier apoyo necesario para evitar la flexión. Evite basarse en una presión de contacto o un espesor de capa supuestos que el montaje no pueda lograr de forma constante.

El aislamiento eléctrico puede añadir otra interfaz a la trayectoria. Cuando se requiera aislamiento, evalúe el conjunto de la interfaz y el montaje frente a los requisitos tanto térmicos como eléctricos, incluidas las distancias de separación y los propios elementos de fijación. Una capa aislante no sustituye la verificación del diseño montado.

Para conocer más a fondo la selección de materiales, consulte selección de materiales de interfaz térmica. Para las consideraciones ópticas, de montaje y térmicas específicas de LED, consulte gestión térmica de PCB para LED.

Comparación hipotética: ¿disipador superior o trayectoria de la placa al chasis?

Escenario hipotético: Un diseñador está integrando un dispositivo de potencia que no es LED en un conjunto cerrado. Hay cierto espacio sobre el encapsulado y parte de la placa está cerca de una superficie de montaje del chasis. Tanto un disipador montado en la parte superior como una trayectoria de la placa al chasis parecen posibles desde el punto de vista mecánico. No se presupone ningún resultado de refrigeración.

Un disipador montado en la parte superior es una opción si la documentación del dispositivo contempla la transferencia de calor a través de la superficie del encapsulado, el disipador puede sujetarse sin dañar el encapsulado y puede llegar hasta él un flujo de aire efectivo. El diseñador también debe comprobar si la carcasa deja espacio suficiente alrededor de las aletas y si los componentes cercanos precalientan u obstruyen el aire.

Una trayectoria de la placa al chasis es una opción si el encapsulado puede transferir calor eficazmente a la PCB, la estructura de capas y el cobre pueden conducirlo hacia el contacto y la interfaz con el chasis es viable. El diseñador debe comprobar el apoyo de la placa, las tolerancias de la interfaz, el aislamiento eléctrico y cómo evacúa el calor el chasis en el entorno de instalación.

Ninguna de las dos opciones debe seleccionarse únicamente porque presente más metal visible. El encapsulado puede favorecer una vía, mientras que las condiciones de la carcasa o las restricciones de montaje favorecen la otra. Puede valer la pena evaluar un enfoque combinado si cada trayectoria es compatible desde el punto de vista mecánico y eléctrico.

Lista de comprobación de evidencias para la decisión:

Potencia disipada por el dispositivo a lo largo del perfil de funcionamiento, temperatura admisible y orientación aplicable al encapsulado.
Superficies previstas para la transferencia de calor y definiciones de los parámetros térmicos utilizados.
Estructura de capas de la placa y detalles del cobre y las vías para la opción acoplada al chasis.
Dimensiones y tolerancias del disipador, la interfaz y el montaje para cada opción.
Orientación de la carcasa, flujo de aire y condiciones ambiente razonablemente previsibles.
Un plan de medición o modelización que represente cada configuración instalada, incluidas las trayectorias térmicas paralelas.
Criterios de aceptación acordados y un responsable de resolver cualquier fallo o discrepancia.

Valide el conjunto instalado

Planifique la validación tanto para condiciones transitorias como para condiciones de funcionamiento en régimen estable. Un evento breve de alta disipación puede producir un pico de temperatura que quede oculto por un promedio a largo plazo. A la inversa, un diseño que supera un ensayo breve puede seguir acumulando calor durante el funcionamiento sostenido. Defina la secuencia de funcionamiento y la condición utilizada para determinar si las temperaturas se han estabilizado; no suponga que un ensayo sustituye al otro.

Ubique y documente los puntos de medición de modo que las temperaturas resultantes puedan interpretarse conforme a la orientación aplicable del dispositivo. Registre con cada resultado el estado de funcionamiento de la fuente de calor, la referencia de temperatura ambiente, la configuración de la carcasa, la orientación, el flujo de aire y la condición de montaje. Cuando no sea posible medir directamente la unión, utilice el método prescrito por el fabricante e indique las hipótesis y la incertidumbre de la estimación.

Consulte termografía de PCB para obtener más contexto sobre la interpretación de las observaciones de temperatura superficial.

Problema observado	Comprobación a nivel de sistema	Evidencia necesaria
La temperatura del dispositivo aumenta durante el funcionamiento sostenido	Compruebe el aire de la carcasa, las obstrucciones al flujo de aire, el contacto del disipador y otras fuentes de calor, no solo el tamaño del disipador	Registros de potencia disipada en funcionamiento, temperatura ambiente y local, configuración instalada e inspección del contacto
Un evento breve de funcionamiento produce un pico de temperatura	Compruebe la potencia disipada y la duración reales, la masa térmica y la respuesta de la medición	Perfil de funcionamiento y mediciones de temperatura sincronizados en el tiempo, con las ubicaciones de los puntos de ensayo
La placa cerca del dispositivo está caliente, pero el contacto con el chasis está más frío	Compruebe la trayectoria por el cobre y las vías, la ubicación del contacto, el ajuste de la interfaz y el apoyo de la placa	Estructura de capas y diseño de la placa, dimensiones de la interfaz, evidencia del contacto en el conjunto montado y temperaturas en puntos definidos
Los resultados varían entre conjuntos	Compruebe la aplicación del TIM, las tolerancias, la secuencia de montaje y la uniformidad del flujo de aire	Registros de montaje, especificaciones de la interfaz y los elementos de fijación, configuración del ensayo y variación medida

Asigne un responsable del plan de validación antes de que comiencen los ensayos. Esa persona debe asegurarse de que se acuerden las condiciones y los criterios de aceptación, se revisen los resultados frente a los límites del dispositivo y del proyecto, y se controlen los cambios. Es posible que los responsables del dispositivo, del diseño mecánico, de la PCB y del montaje deban resolver diferentes aspectos de un fallo. Una comprobación del proceso de fabricación o montaje por sí sola no demuestra que el producto terminado cumpla sus requisitos térmicos.

Lista de comprobación para la entrega del proyecto

Documente la trayectoria térmica prevista y sus hipótesis en la documentación de liberación para que los responsables puedan evaluar cambios posteriores. Incluya:

Fuentes de calor: identificación de los componentes, potencia disipada, estados de funcionamiento y perfil del ciclo de trabajo, con la fuente de cada hipótesis.
Límites del dispositivo: temperatura admisible de unión o del punto de medición, orientación sobre la transferencia de calor del encapsulado, definiciones de los parámetros térmicos y sus temperaturas de referencia.
Trayectoria por la PCB: estructura de capas, geometría del cobre, detalles de almohadillas y vías, conexiones eléctricas y cualquier requisito de fabricación o montaje que afecte a la soldadura o al contacto.
Disipador e interfaz: dimensiones, superficies de contacto, especificación del TIM, espesor previsto de la capa, método de montaje, planitud y tolerancias de montaje.
Restricciones eléctricas y mecánicas: aislamiento, distancias de separación, elementos de fijación, apoyo de la placa, cargas de instalación y requisitos de acceso.
Entorno: configuración de la carcasa, orientación, flujo de aire, contactos con el chasis y condiciones ambiente razonablemente previsibles.
Validación: puntos de ensayo, secuencia de funcionamiento, condiciones transitorias y sostenidas, criterios de aceptación, método de medición y responsable.
Control de cambios: qué sustituciones del disipador, TIM, elementos de fijación, placa, carcasa o flujo de aire requieren revisión y revalidación, y quién las aprueba.

Al hablar de la placa con APTPCB, comparta las fuentes de calor y la potencia disipada, los detalles de la estructura de capas y las vías, y las interfaces del disipador y del montaje. Contacte con APTPCB o solicite un presupuesto, e incluya los requisitos de validación. Confirme el alcance de cualquier montaje de disipadores térmicos o ensayo térmico para su proyecto.