Un approccio alla gestione termica dei PCB ad alta potenza

   I progettisti affrontano problemi complessi per soddisfare i requisiti di alimentazione, che includono un'efficace gestione termica, a partire dalla progettazione del PCB.

     L'intero settore dell'elettronica di potenza, comprese le applicazioni RF ei sistemi che coinvolgono segnali ad alta velocità, si sta evolvendo verso soluzioni che offrono funzionalità sempre più complesse in spazi sempre più piccoli. I progettisti affrontano sfide sempre più impegnative per soddisfare i requisiti di dimensioni, peso e alimentazione del sistema, che includono un'efficace gestione termica, a partire dalla progettazione del circuito stampato.

  I dispositivi di potenza attiva ad alta densità di integrazione, come i transistor MOSFET, possono dissipare una quantità significativa di calore e quindi richiedono PCB in grado di trasferire il calore dai componenti più caldi ai piani di massa o alle superfici di dissipazione del calore, operando nel modo più efficiente ed efficace possibile. Lo stress termico è una delle principali cause di malfunzionamento dei dispositivi di potenza, in quanto porta ad un degrado delle prestazioni o addirittura ad un possibile malfunzionamento o guasto del sistema. La rapida crescita della densità di potenza dei dispositivi e il costante aumento delle frequenze sono i motivi principali che causano un eccessivo riscaldamento dei componenti elettronici. L'uso sempre più diffuso di semiconduttori con perdite di potenza ridotte e migliore conducibilità termica, come i materiali a banda larga, non è di per sé sufficiente a eliminare la necessità di un'efficace gestione termica.

    Gli attuali dispositivi di alimentazione a base di silicio raggiungono una temperatura di giunzione compresa tra circa 125˚C e 200˚C. Tuttavia è sempre preferibile far funzionare il dispositivo al di sotto di tale limite, in quanto ciò comporterebbe un rapido degrado dello stesso ed una riduzione della sua vita residua. È stato infatti stimato che un aumento di 20˚C della temperatura di esercizio, causato da un'errata gestione termica, può ridurre la vita residua dei componenti fino al 50%.

Approccio al layout:

  Un approccio alla gestione termica comunemente seguito in molti progetti consiste nell'utilizzare substrati con standard Flame Retardant Level 4 (FR-4), un materiale economico e facilmente lavorabile, concentrandosi sull'ottimizzazione termica del layout del circuito.

I principali accorgimenti adottati riguardano la previsione di ulteriori superfici in rame, l'utilizzo di tracce di maggior spessore e l'inserimento di via termica al di sotto dei componenti che generano la maggior quantità di calore. Una tecnica più aggressiva, in grado di dissipare una maggiore quantità di calore, prevede l'inserimento nel PCB o l'applicazione sugli strati più esterni di veri e propri blocchi di rame, tipicamente a forma di moneta (da cui il nome "monete di rame"). Le monete di rame vengono lavorate separatamente e quindi saldate o attaccate direttamente al PCB, oppure possono essere inserite negli strati interni e collegate agli strati esterni tramite vie termiche. La figura 1 mostra un PCB in cui è stata ricavata un'apposita cavità per alloggiare una moneta di rame.

  Il rame ha un coefficiente di conducibilità termica di 380 W/mK, rispetto a 225 W/mK per l'alluminio e a 0,3 W/mK per FR-4. Il rame è un metallo relativamente economico e già ampiamente utilizzato nella produzione di PCB; è quindi la scelta ideale per realizzare monete in rame, via termiche e piani di massa, tutte soluzioni in grado di migliorare la dissipazione del calore.

   Il corretto posizionamento dei componenti attivi sulla scheda è un fattore cruciale per prevenire la formazione di punti caldi, garantendo così una distribuzione del calore il più uniforme possibile lungo l'intera scheda. A questo proposito, i componenti attivi dovrebbero essere distribuiti senza un ordine particolare attorno al PCB per evitare la formazione di punti caldi in un'area specifica. Tuttavia, è meglio evitare di posizionare componenti attivi che generano una notevole quantità di calore vicino ai bordi della scheda. Al contrario, dovrebbero essere posizionati il ​​più vicino possibile al centro della tavola, favorendo una distribuzione uniforme del calore. Se un dispositivo ad alta potenza è montato vicino al bordo della scheda, accumulerà calore sul bordo, aumentando la temperatura locale. Se invece viene posizionato vicino al centro della tavola, il calore si disperderà sulla superficie in tutte le direzioni, riducendo la temperatura e dissipando più facilmente il calore. I dispositivi di alimentazione non devono essere posizionati vicino a componenti sensibili e devono essere opportunamente distanziati l'uno dall'altro.

Selezione del substrato PCB:

A causa della sua bassa conducibilità termica — tra {{0}}.2 e 0.5 W/mK — FR-4 generalmente non è adatto per applicazioni in cui è necessario dissipare una grande quantità di calore. Il calore che può accumularsi nei circuiti ad alta potenza è considerevole, aggravato dal fatto che questi sistemi operano spesso in ambienti difficili e temperature estreme. L'utilizzo di un materiale di substrato alternativo con una maggiore conducibilità 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. Oltre a una migliore conduttività termica, questi materiali offrono eccellenti proprietà meccaniche che aiutano a compensare lo stress accumulato durante ripetuti cicli termici. Inoltre, i materiali ceramici presentano perdite dielettriche inferiori operando a frequenze fino a 10 GHz. Per frequenze più elevate è sempre possibile optare per materiali ibridi (come il PTFE), che offrono perdite altrettanto basse con una modesta riduzione della conducibilità termica.

Maggiore è la conducibilità termica di un materiale, più veloce è il trasferimento di calore. Ne consegue che metalli come l'alluminio, oltre ad essere più leggeri della ceramica, offrono un'ottima soluzione per trasferire il calore lontano dai componenti. L'alluminio in particolare è un ottimo conduttore, ha un'eccellente durata, è riciclabile e non è tossico. Grazie alla loro elevata conduttività termica, gli strati metallici aiutano a trasferire rapidamente il calore su tutta la tavola. Alcuni produttori offrono anche PCB rivestiti in metallo, in cui entrambi gli strati esterni sono rivestiti in metallo, tipicamente alluminio o rame zincato. Dal punto di vista del costo per unità di peso, l'alluminio è la scelta migliore, mentre il rame offre una maggiore conducibilità termica. L'alluminio è ampiamente utilizzato per la costruzione di PCB che supportano LED ad alta potenza (un esempio è mostrato in Figura 2), in cui è anche particolarmente utile per la sua capacità di riflettere la luce lontano dal substrato.

   I PCB in metallo, noti anche come substrati metallici isolanti (IMS), possono essere laminati direttamente nel PCB, risultando in una scheda con substrati FR-4 e anima in metallo con tecnologia a strato singolo e doppio strato con instradamento di controllo della profondità, che serve a trasferire il calore lontano dai componenti di bordo e verso le zone meno critiche. Nei PCB IMS, un sottile strato di dielettrico termicamente conduttivo ma elettricamente isolante è laminato tra una base metallica e una lamina di rame. La lamina di rame viene incisa nello schema circuitale desiderato e la base metallica assorbe il calore da questo circuito attraverso il sottile dielettrico.

I principali vantaggi offerti dai PCB IMS sono i seguenti:

1. La dissipazione del calore è significativamente superiore rispetto allo standard FR-4 coistruzioni.

2. I dielettrici sono generalmente da 5 a 10 volte più termicamente conduttivi rispetto al normale vetro epossidico.

3. Il trasferimento termico è esponenzialmente più efficiente rispetto a un PCB convenzionale.

4. Oltre alla tecnologia LED (insegne luminose, display e illuminazione), i circuiti IMS sono ampiamente utilizzati nell'industria automobilistica (fari, controllo motore e servosterzo), nell'elettronica di potenza (alimentazione CC, inverter e controllo motore) , negli interruttori e nei relè a semiconduttore.