Gestione termica dei PCB ad alta potenza

I progettisti affrontano questioni complesse nel 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 e i sistemi che coinvolgono segnali ad alta velocità, si sta evolvendo verso soluzioni che offrono funzionalità sempre più complesse in ogni momento. -spazi più piccoli. I progettisti devono affrontare 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 della scheda a circuito stampato.

I dispositivi di potenza attiva ad alta densità di integrazione, come i transistor MOSFET, possono dissipare una quantità significativa di calore e pertanto richiedono PCB in grado di trasferire il calore dai componenti più caldi ai piani di terra 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, poiché 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 le ragioni principali che causano il riscaldamento eccessivo dei componenti elettronici. L’uso sempre più diffuso di semiconduttori con perdite di potenza ridotte e migliore conduttività termica, come materiali ad ampio gap di banda, non è di per sé sufficiente ad eliminare la necessità di un’efficace gestione termica.

Gli attuali dispositivi di potenza basati sul silicio raggiungono una temperatura di giunzione compresa tra circa 125°C e 200°C. È comunque sempre preferibile far funzionare il dispositivo al di sotto di tale limite, poiché 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 ritardante di fiamma standard di livello 4 (FR-4), un materiale economico e facilmente lavorabile, concentrandosi sull'ottimizzazione termica del layout del circuito.

I principali accorgimenti adottati riguardano la predisposizione di ulteriori superfici in rame, l'utilizzo di tracce di maggior spessore e l'inserimento di passanti termici sotto i componenti che generano maggiore quantità di calore. Una tecnica più aggressiva, capace 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 poi saldate o fissate 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 una cavità speciale per alloggiare una moneta di rame.

Il rame ha un coefficiente di conduttività termica di 380 W/mK, rispetto ai 225 W/mK dell'alluminio e allo 0,3 W/mK del 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, vias termici e groundplanes, 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 quanto più uniforme possibile lungo tutta la 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 una zona specifica. Tuttavia, è meglio evitare di posizionare componenti attivi che generano una quantità significativa di calore vicino ai bordi della scheda. Al contrario, dovranno essere posizionati il ​​più vicino possibile al centro della tavola, favorendo una distribuzione uniforme del calore. Se un dispositivo ad alta potenza viene montato vicino al bordo della scheda, accumulerà calore sul bordo, aumentando la temperatura locale. Se invece viene posizionata vicino al centro della tavola, il calore si dissiperà sulla superficie in tutte le direzioni, riducendo la temperatura e dissipando il calore più facilmente. I dispositivi di alimentazione non devono essere posizionati vicino a componenti sensibili e devono essere opportunamente distanziati gli uni dagli altri.

Selezione del substrato PCB:

A causa della sua bassa conduttività termica — tra {{0}},2 e 0,5 W/mK — FR-4 non è generalmente 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 spesso funzionano in ambienti difficili e temperature estreme. L'utilizzo di un materiale di substrato alternativo con una conduttività termica più elevata 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 conduttività 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 eccellente 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 conduttività 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 particolarmente utile anche per la sua capacità di riflettere la luce lontano dal substrato.

I PCB metallici, noti anche come substrati metallici isolanti (IMS), possono essere laminati direttamente nel PCB, ottenendo una scheda con substrati FR-4 e nucleo metallico con tecnologia a strato singolo e doppio strato con routing 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 un foglio 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 più elevata rispetto alle costruzioni FR-4 standard.

2. I dielettrici sono tipicamente da 5 volte a 10 volte più conduttivi termicamente 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 stampati 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.