Vehículos Eléctricos: los Diseñadores de PCB Mitigan el Calor Utilizando PTFE Reforzado con Vidrio

August 29, 2019 Circuit Studio

 

 

En el exigente mundo de los vehículos eléctricos, las PCB deben proporcionar acondicionamiento de energía, conversión de voltaje y administración de baterías, además de sus roles habituales en el contexto automotriz. Desafortunadamente, estas mismos PCB deben cumplir con los estrictos requisitos térmicos sin disipadores de calor o ventiladores. Los diseñadores de PCB, sin embargo, han encontrado una solución duradera. Los materiales de sustrato de placa con alto rendimiento térmico permiten a las PCB evitar o minimizar el uso de disipadores de calor, difusores de calor y otras estrategias convencionales. Dos opciones populares, cerámica y PTFE, se han convertido en las opciones preferidas para los diseñadores de PCB EV.

Hace diez años comencé mi primer trabajo diseñando placas base para juegos. Tenía mucho que aprender, particularmente en el área del rendimiento térmico. En poco tiempo, se convirtió en una segunda naturaleza agregar disipadores de calor, ventiladores de enfriamiento y otros equipos que sabía que mis PCB tendrían que prosperar. Justo cuando pensaba que la mitigación de calor se había reducido a un arte, un amigo me contó cómo los vehículos eléctricos (EV) están llevando la mitigación de calor al siguiente nivel. Los reguladores de potencia, los motores eléctricos y las unidades de control del motor son todos componentes EV que producen grandes cantidades de calor. A diferencia de las placas base para juegos, los métodos convencionales de mitigación de calor, que requieren componentes y ventiladores SMT voluminosos, no son una opción para estas placas pequeñas. Hablar con mi amigo me dejó intrigado, así que le pregunté cómo los diseñadores en su equipo lidian con todo. Si no puedes usar disipadores de calor y ventiladores, ¿qué puedes usar?

Closeup of a SMT heat sink on a PCB

Los disipadores de calor convencionales como este simplemente no caben en los espacios reducidos de los proyectos de vehículos eléctricos. 

La PCB de Cerámica: el Mejor Rendimiento Térmico que el Dinero Puede Comprar

Para los diseñadores de hardware EV, significa tomar una perspectiva completamente nueva. La PCB en sí misma debe jugar con la ecuación térmica. Específicamente, el sustrato de la PCB debe ser un material fuertemente conductor de calor. Las placas que eliminan eficazmente el calor de los componentes pueden escapar sin ventiladores y utilizar disipadores de calor mucho más pequeños. Teniendo esto en cuenta, el diseñador probablemente descubrirá las PCB de cerámica como su mejor opción. En comparación con las placas de resina estándar "FR-4", las cerámicas son hasta 170 veces más térmicamente conductoras y pueden manejar temperaturas de funcionamiento de hasta 350 °C. No solo eso, son significativamente más fuertes y más dieléctricos que las placas de resina. Para los diseñadores de vehículos eléctricos, se han convertido en el sustrato elegido para las placas convertidoras de potencia, que es un componente crucial en los vehículos eléctricos. Estas placas están diseñadas para convertir el voltaje de CC de las baterías del vehículo en el voltaje de CA de alta frecuencia que usan los motores de accionamiento. Esta desafiante aplicación genera mucho calor y freirá tablas que no pueden resistir a largo plazo. También se usan en circuitos de carga y reguladores de voltaje para equipos de bajo voltaje, aplicaciones con necesidades similares a los convertidores de potencia. No es sorprendente que las placas de cerámica sean una opción destacada para el diseñador de PCB EV.

CPU

Antes de ver el uso en EV, los sustratos de cerámica eran los favoritos para los procesadores de ordenadores y los IC, como el que se muestra.

Lo Mejor de Ambos Mundos: la PCB de PTFE Reforzada con Vidrio

Ahora las PCB de cerámica suenan muy bien, ¿verdad? Bueno, esa no es toda la historia. Si bien tienen un buen desempeño desde el punto de vista térmico, son terribles para mantener bajos los costos. Las PCB de cerámica se fabrican mediante un proceso avanzado de punzonado y mecanizado. En contraste, las placas convencionales usan un proceso de serigrafía en capas que se adapta bien y es muy rentable. Como me dijo mi amigo diseñador, le encantaría usar cerámica para todo en su trabajo: "sin duda facilitaría mi trabajo", dijo entre risas. Desafortunadamente, no es factible, por eso las cerámicas solo se usan para los componentes EV más críticos. Esto nos lleva a paneles de politetrafluoretileno (PTFE) reforzados con vidrio, a los que los fabricantes de vehículos eléctricos han estado gravitando para la seguridad, el control y la iluminación de las PCB. Las llamadas placas de PTFE "térmicamente mejoradas" son un favorito particular para las unidades de faros LED, que producen calor densamente concentrado pero no garantizan una placa de cerámica. Al igual que las placas de resina, utilizan un proceso de fabricación en capas más barato pero tienen una estabilidad térmica mucho mejor. De hecho, con temperaturas de funcionamiento de hasta 200 °C, estas placas pueden hacer frente a algunas aplicaciones bastante exigentes. No es de extrañar que el PTFE sea el mismo material utilizado en las sartenes antiadherentes durante el último medio siglo.

 

Teflon Frying Pan

Además de la alta temperatura, el PTFE de PCB proporciona el revestimiento antiadherente para la mayoría de las sartenes cotidianas.

Estas son dos opciones populares para el diseñador de PCB EV, pero no son las dos únicas. Gracias a los nuevos diseños de sustrato "híbrido", es probable que veamos muchas más opciones en el futuro cercano. Al considerar un posible tipo de placa, mi amigo diseñador enfatizó dos valores clave a los que prestar atención: la temperatura de transición vítrea y el coeficiente de conductividad térmica.

La temperatura de transición vítrea: la temperatura donde el sustrato de la placa deja de comportarse como un sólido y comienza a volverse viscoso. No lo llamaría derretir per se, pero entiendes la idea. Es un techo de temperatura absoluta que debe compensarse con un factor de seguridad razonable.

El coeficiente de conductividad térmica: este valor te indica qué tan bien la placa "absorbe" y distribuye el calor. Cuanto mayor sea esta cifra, mejor será la placa para alejar el calor de los circuitos integrados y otros componentes.

Presta atención a estos dos valores para asegurarte de que su placa pueda conducir la cantidad de calor necesaria sin deformarse y tu próximo proyecto EV no sufrirá PCB no especificadas.

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