L'intero settore dell'elettronica di potenza, comprese le applicazioni RF ei sistemi che coinvolgono segnali ad alta velocità, si sta muovendo verso soluzioni che forniscono funzionalità sempre più complesse in spazi sempre più piccoli. I progettisti devono affrontare sfide sempre più impegnative per soddisfare i requisiti di dimensioni, peso e potenza del sistema, inclusa un'efficace gestione termica, che a sua volta inizia con la progettazione del PCB.
I dispositivi di potenza attiva altamente integrati (ad esempio, i transistor MOSFET) emettono grandi quantità di calore, richiedendo PCB in grado di trasferire il calore dai componenti più caldi alla superficie del terreno o del dissipatore di calore per funzionare nel modo più efficiente possibile. Lo stress termico è una delle principali cause di guasto del dispositivo di alimentazione, in quanto può causare un degrado delle prestazioni e può anche portare a guasti o malfunzionamenti del sistema. La rapida crescita della densità di potenza del dispositivo e l'aumento della frequenza sono le principali cause del surriscaldamento dei componenti elettronici. Sebbene i semiconduttori con una minore perdita di potenza e una migliore conduttività termica, come i materiali a banda larga, siano usati sempre più estensivamente, da soli non sono sufficienti per eliminare la necessità di un'efficace gestione termica.
Gli attuali dispositivi di alimentazione a base di silicio possono essere raggiunti a temperature di giunzione comprese tra circa 125 gradi e 200 gradi. Tuttavia, è desiderabile consentire sempre al dispositivo di funzionare senza superare questa condizione limite, evitando così un rapido invecchiamento del dispositivo e riducendone la durata residua. Infatti, si stima che se una gestione termica impropria porta ad un aumento di 20 gradi della temperatura di esercizio, la conseguente riduzione della vita residua del componente sarà fino al 50 percento.
Metodologia di cablaggio (layout).
Un metodo comune di gestione termica utilizzato in molti progetti è l'uso di un substrato standard ignifugo di classe 4 (FR-4), che è un materiale economico e facile da lavorare che si concentra sull'ottimizzazione termica del layout del circuito.
Le principali misure utilizzate riguardano la fornitura di ulteriori superfici in rame, l'utilizzo di allineamenti più spessi e l'inserimento di dissipatori di calore sotto i componenti che generano più calore. Una tecnica più radicale per dissipare più calore prevede l'inserimento o l'applicazione di un vero blocco di rame al PCB o allo strato più esterno, che solitamente ha la forma di una moneta, da cui il nome "moneta di rame". Dopo aver elaborato la moneta di rame separatamente, può essere saldata o fissata direttamente al PCB, oppure può essere inserita nello strato interno e collegata allo strato esterno attraverso il dissipatore di calore. Il PCB mostrato in Figura 1 è realizzato in una cavità speciale per ospitare una moneta di rame.
Il rame ha una conduttività termica di 380 W/mK, rispetto a 225 W/mK per l'alluminio e 0,3 W/mK per FR-4. Il rame è un metallo relativamente poco costoso che è stato ampiamente utilizzato nella produzione di PCB; pertanto, è ideale per realizzare monete di rame, fori per dissipatori di calore e strati di terra, tutte soluzioni che migliorano la dissipazione del calore.
Il corretto posizionamento dei dispositivi attivi sulla scheda è un fattore chiave per prevenire la formazione di punti caldi, assicurando così che il calore sia distribuito il più uniformemente possibile su tutta la scheda. A questo proposito, i dispositivi attivi dovrebbero essere distribuiti attorno al PCB senza un ordine particolare, evitando così la formazione di hot spot in aree specifiche. Tuttavia, è meglio evitare di posizionare dispositivi attivi che generano molto calore vicino al bordo della scheda. Invece, dovrebbero essere posizionati il più vicino possibile al centro della tavola, facilitando così una distribuzione uniforme del calore. Se i dispositivi ad alta potenza sono installati vicino al bordo della scheda, accumuleranno calore sul bordo, aumentando così la temperatura locale. Se invece vengono posizionati vicino al centro della tavola, il calore sarà distribuito in tutte le direzioni lungo la superficie, facilitando l'abbassamento della temperatura e facilitando la distribuzione del calore. I dispositivi di alimentazione non devono essere posizionati vicino a componenti sensibili e devono essere adeguatamente distanziati l'uno dall'altro.
Le misure adottate a livello di layout possono essere ulteriormente migliorate utilizzando sistemi di raffreddamento attivo e passivo (come dissipatori di calore o ventole): tali sistemi possono rimuovere il calore dai dispositivi attivi, anziché emetterlo direttamente nella scheda. In generale, i progettisti devono trovare il giusto compromesso tra diverse strategie di gestione termica, a seconda delle esigenze della particolare applicazione e del budget disponibile.
Selezione del substrato PCB
FR{{0}} in genere non è adatto per applicazioni che richiedono la dissipazione di grandi quantità di calore a causa della sua bassa conduttività termica (tra 0,2 e 0,5 W/mK). Il calore generato nei circuiti ad alta potenza può essere considerevole e questi sistemi funzionano spesso in ambienti difficili e temperature estreme. L'utilizzo di un materiale di substrato alternativo con una maggiore conduttività termica può essere una scelta migliore rispetto all'utilizzo del tradizionale FR-4.
I materiali ceramici, ad esempio, offrono vantaggi significativi per la gestione termica dei PCB ad alta potenza. Tali materiali, oltre a migliorare la conducibilità termica, hanno anche eccellenti proprietà meccaniche e quindi aiutano a compensare le sollecitazioni accumulate durante i cicli termici ripetuti. Inoltre, i materiali ceramici hanno una bassa perdita dielettrica a frequenze fino a 10 GHz. Per frequenze più alte è sempre possibile scegliere materiali ibridi (es. PTFE), che forniscono le stesse basse perdite ma con una moderata riduzione della conducibilità termica.
Maggiore è la conduttività termica del materiale, più veloce sarà il trasferimento di calore. Pertanto, oltre ad essere più leggeri della ceramica, metalli come l'alluminio offrono un'ottima soluzione per trasferire il calore dai componenti. L'alluminio in particolare è anche un ottimo conduttore, ha un'eccellente durata, è riciclabile e non è tossico. Grazie alla sua elevata conduttività termica, lo strato di metallo aiuta a trasferire rapidamente il calore su tutta la scheda. Alcuni produttori offrono anche PCB rivestiti in metallo in cui entrambi gli strati esterni sono rivestiti in metallo, solitamente alluminio o rame galvanizzato. L'alluminio è la scelta migliore dal punto di vista del costo per peso, mentre il rame ha una maggiore conduttività termica. L'alluminio è anche ampiamente utilizzato per realizzare PCB che supportano LED ad alta potenza (come mostrato nell'esempio in Figura 2), dove anche la sua capacità di riflettere la luce lontano dal substrato è particolarmente utile.
Anche l'argento, grazie alla sua conduttività termica di circa il 5 percento superiore al rame, può essere utilizzato anche per creare allineamenti, vie, pad e strati di metallo. Inoltre, se la scheda viene utilizzata in un ambiente umido in cui sono presenti gas tossici, l'uso di finiture argentate su allineamenti in rame nudo e piazzole di saldatura in rame aiuterà a prevenire la corrosione, una minaccia tipica nota in tali ambienti.
I PCB metallici, noti anche come substrati metallici isolati (IMS), possono essere laminati direttamente nel PCB per formare schede con substrati FR-4 e anime metalliche. Vengono utilizzate tecnologie a singolo e doppio strato, con cablaggio a profondità controllata, per cui il calore può essere trasferito dai componenti di bordo ad aree meno critiche. Nei PCB IMS, un sottile strato di dielettrico termicamente conduttivo ma elettricamente isolante è laminato tra un substrato metallico e una lamina di rame. La lamina di rame viene incisa nella configurazione del circuito desiderata e il substrato metallico assorbe il calore dal circuito attraverso questo sottile dielettrico.
I principali vantaggi offerti dai PCB IMS sono i seguenti.
-Dissipazione del calore notevolmente superiore rispetto alle strutture FR-4 standard.
-La conduttività termica del dielettrico è tipicamente da 5 a 10 volte superiore a quella del normale vetro epossidico.
-L'efficienza del trasferimento di calore è molto superiore a quella dei PCB convenzionali.
Oltre alla tecnologia LED (insegne luminose, display e illuminazione), i PCB IMS sono ampiamente utilizzati nell'industria automobilistica (fari, comandi motore e servosterzo), elettronica di potenza (alimentatori CC, inverter e comandi motore), interruttori e relè a semiconduttore .