Thermal Management PCB: Cum sa Disipezi Caldura si sa Previi Supraincalzirea

De Ce E Important Managementul Termic?

Peste 50% din defectele electronicelor sunt cauzate de caldura excesiva. Un circuit care functioneaza perfect la 25°C poate esua la 85°C. Si nu vorbim de incendii - vorbim de degradare treptata, drift de parametri si moarte prematura.

Fiecare 10°C crestere a temperaturii de operare poate reduce viata componentelor la jumatate. Managementul termic nu e optional - e esential.

Unde Se Genereaza Caldura?

Componente de Putere

• Regulatoare de tensiune (LDO, buck, boost) - mai ales LDO-uri cu diferenta mare de tensiune
• MOSFETs si tranzistori de putere - comutatie sau liniar
• Procesoare si FPGA - clock mare = caldura mare
• LED-uri de putere - 70-80% din energie devine caldura
• Rezistori de shunt si load - convertesc curentul in caldura

Regula Celor 15 cm²

Ca regula generala, ai nevoie de aproximativ 15 cm² de suprafata PCB pentru fiecare watt disipat (pentru o crestere de 40°C fata de ambient). Cu ventilatie fortata, poti reduce la 7.5 cm²/W.

Tehnici de Disipare a Caldurii

1. Thermal Vias

Thermal vias sunt gauri metalizate plasate sub componentele calde pentru a transfera caldura spre alte straturi sau spre partea opusa a placii.

Specificatii Optime:

• Diametru: 0.3mm (optim pentru conductivitate)
• Spatiere: 1.0-1.2mm intre via-uri
• Pattern: matrice sub thermal pad
• Umplere: filled vias pentru eficienta maxima (+30%)

De ce functioneaza: Cuprul are conductivitate termica de 385 W/m·K - de 1000x mai buna decat FR4 (0.3 W/m·K). Via-urile creeaza "punti termice" prin izolatie.

2. Planuri de Cupru

Planurile de cupru actioneaza ca heat sink-uri integrate. Cu cat sunt mai mari, cu atat disipa mai multa caldura.

Best Practices:

• Conecteaza componentele calde la planuri de cupru extinse
• Foloseste planuri pe straturi exterioare pentru transfer maxim la aer
• Nu intrerupe planurile cu trasee perpendiculare pe directia fluxului de caldura
• Un design 4-layer poate disipa cu 30% mai mult decat unul 2-layer

3. Grosime Cupru Mai Mare

Cupru mai gros = rezistenta mai mica = mai putina caldura generata in trasee + disipare mai buna.

---

🔧 Design cu Componente de Putere?

WellPCB Romania ofera:

• ✅ PCB cu cupru gros (2-4 oz) pentru aplicatii de putere
• ✅ MCPCB cu miez de aluminiu pentru LED si power
• ✅ Via filling pentru thermal management optim
• ✅ Consultanta tehnica pentru design termic

Solicita Oferta PCB Thermal →

---

Thermal Relief Pads - Paradoxul Lipirii

Iata o problema interesanta: vrei sa disipezi caldura de la o componenta, dar daca o conectezi direct la un plan de cupru mare, nu o poti lipi. Toata caldura fierului de lipit se scurge in plan.

Solutia: Thermal Relief

Thermal relief-ul e o conexiune restrictionata - pad-ul e conectat la plan prin "spite" subtiri care limiteaza fluxul de caldura in timpul lipirii.

Design Thermal Relief:

• 4 spite de 0.3-0.5mm latime
• Gap de 0.3mm intre pad si plan
• Balans intre lipibilitate si performanta termica

Cand NU folosesti thermal relief:

• Pad-uri termice sub componente SMD (QFN, D-PAK) - aici vrei conexiune directa
• Aplicatii de mare curent unde rezistenta conteaza

Problema Tombstoning

Daca un pad al unei componente mici (0402, 0603) e conectat la thermal relief si celalalt e pe un traseu mic, dezechilibrul termic poate cauza "tombstoning" - componenta se ridica pe o parte la reflow.

Solutia: asigura echilibru termic intre pad-uri.

MCPCB - Placile cu Miez Metalic

Pentru aplicatii cu disipare mare (LED-uri de putere, drivere motor, alimentatoare), FR4 nu e suficient. Aici intra MCPCB (Metal Core PCB).

Structura MCPCB

1. Stratul de circuit - cupru standard pentru trasee

2. Izolatie dielectrica - material termic conductiv (1-3 W/m·K)

3. Miez metalic - aluminiu (200 W/m·K) sau cupru (385 W/m·K)

Avantaje MCPCB

• Disipare termica de 5-10x fata de FR4
• Temperatura de operare mai scazuta
• Viata mai lunga a componentelor (mai ales LED)
• Poate elimina nevoia de heatsink extern

Pentru detalii complete, citeste ghidul nostru despre PCB pentru LED.

Pozitionarea Componentelor

Reguli de Baza

1. Distribuie componentele calde - nu le grupa pe toate intr-un colt

2. Centreaza sursele de caldura - caldura se poate disipa in toate directiile

3. Considera fluxul de aer - daca exista, orienteaza componentele corespunzator

4. Distanteaza de componente sensibile - electroliticii urasc caldura

Ce Sa Eviti

• Componente de putere langa condensatori electrolitici
• Mai multe surse de caldura una langa alta
• Componente calde la marginea placii (disipare limitata)

Simulare Termica

Inainte de fabricatie, poti simula comportamentul termic al placii.

Software de Simulare

• Ansys Icepak - standard industrie
• Altium Designer - integrare in design
• SimScale - cloud, freemium
• Autodesk CFD - complet dar complex

Ce Verifici

• Temperature maxime pe componente
• Hotspot-uri neasteptate
• Eficienta thermal vias
• Impact modificari de design

Solutii Active de Racire

Cand design-ul pasiv nu e suficient:

Ventilatoare

• Reduce cerinta de suprafata cu 50%+
• Zgomot si fiabilitate adaugate la ecuatie
• Necesita spatiu si alimentare

Heat Pipes

• Transfer caldura pe distante mari
• Pentru sisteme inchise sau space-constrained
• Cost ridicat

Peltier (TEC)

• Racire activa sub temperatura ambientala
• Consum mare de putere
• Aplicatii speciale (laser, camere)

IPC-2152 si Standarde

Standardul IPC-2152 ofera linii directoare pentru dimensionarea traseelor in functie de curent si cresterea de temperatura acceptabila.

Tabel Orientativ (1 oz Cu, 10°C rise)

Foloseste calculatorul nostru de latime traseu pentru valori exacte.

Greseli Frecvente

1. Thermal vias prea distantate

Via-urile trebuie sa fie apropiate (1-1.2mm). Prea distantate nu ajuta la nimic.

2. Plan de cupru fragmentat

Un plan taiat de trasee nu disipa bine caldura. Pastreaza continuitatea.

3. Thermal relief pe pad-uri termice

Pad-ul termic sub un QFN trebuie conectat direct la plan, nu prin thermal relief!

4. Ignorarea datasheet-ului

Producatorii specifica theta-JA, theta-JC si pad-uri recomandate. Citeste-le!

5. Lipsa testarii

Design-ul "arata bine" dar nu l-ai testat. Pune un termocuplu si verifica.

Concluzie

Managementul termic e despre planificare din faza de design, nu despre adaugarea unui heatsink la final. Thermal vias, planuri de cupru extinse, pozitionare corecta si alegerea materialului potrivit fac diferenta intre un produs fiabil si unul care esueaza in garantie.

Checklist thermal management:

• ✅ Identificat sursele de caldura si wattajul
• ✅ Calculat suprafata necesara pentru disipare
• ✅ Adaugat thermal vias sub componente calde
• ✅ Planuri de cupru continue si extinse
• ✅ Pozitionare componente distribuita
• ✅ Thermal relief corect aplicat
• ✅ Verificat cu simulare sau test fizic

Pentru aplicatii automotive cu cerinte termice stricte, citeste si ghidul IATF 16949.

---

Surse si Referinte

1. Cadence - PCB Thermal Design Guide - Best practices 2024

2. Sierra Circuits - 12 PCB Thermal Management Techniques - Tehnici complete

3. Altium - PCB Thermal Vias Review - Design thermal vias

4. JLCPCB - Thermal Vias in PCB Design - Ghid practic