Como determino a área de cobre necessária em uma PCB para fornecer dissipador de calor adequado para um MOSFET SMD de energia?

Estou planejando usar o IRFR5305PBF Power MOSFET (http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irfr5305pbf.pdf) para ativar uma carga. Eu determinei que preciso de um dissipador de calor externo com Rthsa <29 C / W.

Como determinaria a área de cobre no PCB necessária para fornecer uma resistência térmica <29 C / W?

Tentei pesquisar no Google e no banco de dados IEEE, mas os artigos não mostram claramente como calcular isso.

editar: eu estou usando um PCB de 4 camadas com 1 oz de cobre na parte superior e inferior e 0,5 oz de cobre para as camadas internas.

Infelizmente, não há uma resposta simples para sua pergunta. Existem muitas variáveis ​​no problema para alguém ter medido ou caracterizado todas as configurações possíveis: espessura do FR4, número de camadas planas de cobre, número de vias entre as camadas planas, quantidade de fluxo de ar sobre a placa e temperatura do ar de entrada , a contribuição térmica de outras partes próximas etc., etc.

Existem métodos de teste padrão, mas eles dificilmente são relevantes para qualquer situação real, principalmente porque eles usam apenas o FR4 sem camada de cobre como elemento de propagação de calor. Vários fornecedores também publicaram valores para determinadas configurações. A folha de dados que você vinculou, por exemplo, refere-se ao AN-994 da IRF , onde eles fornecem valores de resistência térmica para vários pacotes oferecidos por essa empresa. Mas observe que sua condição de teste padrão usa 2 oz. cobre nas camadas externas.

A tecnologia linear é outra empresa que publica resultados térmicos informativos. Se você encontrar uma de suas peças na mesma embalagem que o seu FET e verificar a folha de dados, elas provavelmente fornecerão uma tabela de resistência térmica para espalhadores de calor de vários tamanhos nas camadas superior e inferior.

Por exemplo, para o pacote DDPAK, que não é exatamente o mesmo que o DPAK da sua parte do IRF, eles fornecem:

(Na folha de dados do LT1965, consulte para obter mais detalhes sobre as condições de teste)

Pelo menos você pode ver que chegar a menos de 29 C / W é um pouco desafiador. As únicas condições de teste nos resultados lineares que alcançaram isso exigiram 4 polegadas quadradas de cobre nas camadas superior e inferior.

Mas, novamente, você só pode contar com esses números como diretrizes, porque fatores como o fluxo de ar influenciarão fortemente os resultados reais em sua aplicação.

Sugira que você observe os dissipadores de calor SMT (por exemplo, este para dispositivos DPAK da Aavid ), pois eles atenderão às suas especificações (é claro, com fluxo de ar / convecção adequado).

Quanto à área de cobre de PCB sozinha, você pode verificar as anotações como esta da Fairchild , mas eu suspeito que a área necessária seja bastante grande (> 1 polegada quadrada), o que provavelmente não é uma boa garantia de dissipação de calor.

Robert Kollman fornece algumas páginas para esse assunto em Construindo suas considerações sobre o layout da fonte de alimentação na seção V - Considerações térmicas.

Eu nunca fiz isso sozinho, mas lembrei-me deste artigo. Ele fornece alguns exemplos, então acho que você provavelmente poderia transferir isso para o seu caso.

Aqui está um artigo interessante que sugere o uso de 4 camadas e vias sob o dispositivo: AN10874 - Guia de design térmico do LFPAK MOSFET - Nota de aplicação