L'obiettivo generale della gestione termica sulla scheda nuda e nell'assemblaggio è quello di condurre il calore dai componenti che lo generano a un dissipatore esterno. Un migliore scambio termico si traduce in un tempo medio tra i guasti (MTBF) inferiore e, in alcuni casi, sarà un fattore decisivo per il rispetto delle specifiche di progettazione di un determinato prodotto. Tecnologia MCPCB
Un modo semplice per gestire il calore è passare dall'FR4, il materiale standard utilizzato nei PCB multistrato, a materiali dielettrici con diversa conduttività termica legati a un film metallico solido (MCPCB). Ciò migliorerà significativamente le prestazioni termiche di un PCB. L'MCPCB funziona utilizzando una preimpregnazione termicamente conduttiva tra gli strati di conduzione in rame, che convoglia l'energia termica verso il nucleo metallico e la allontana dai componenti. La tecnologia MCPCB può essere implementata come singolo strato su una base metallica o come multistrato sui lati superiore e inferiore della base metallica.
Di seguito è possibile osservare una struttura MCPCB a 2 strati che mostra il trasferimento di calore dal componente montato in superficie, attraverso l'accumulo di calore, alla base metallica. Questa soluzione può raggiungere una conduttività termica fino a 12 W/mK, ma attualmente non offre un miglioramento significativo. Per ottenere una conduttività termica superiore, si consiglia una tecnologia diversa, come ad esempio l'utilizzo di un componente in rame.
I PCB a base di rame, una tecnologia in crescita
In questo articolo, vogliamo approfondire la tecnologia dei componenti in rame per circuiti stampati (PCB). Lo scambio termico avviene a una velocità maggiore quando si utilizzano materiali con elevata conduttività termica. Il rame è altamente conduttivo, con valori pari o superiori a 400 W/mK, così come altri materiali come il diamante, che può essere fino a cinque volte più conduttivo del rame. Ma
chi vorrebbe utilizzare i diamanti nei propri PCB? Il rame rappresenta una delle soluzioni migliori per gestire il calore mantenendo al contempo la conduttività elettrica e termica.
Quello che viene comunemente chiamato "disco di rame" per PCB è semplicemente un pezzo di rame che viene solitamente posizionato sotto i componenti che necessitano di raffreddamento. Questo pezzo di rame può fornire una capacità di raffreddamento doppia rispetto a un array di via. Inoltre, anziché utilizzare materiali termicamente conduttivi, il pezzo di rame garantisce un contatto diretto tra il supporto del componente che genera calore e il dissipatore. La conduttività termica del rame è, in media, da 30 a 200 volte superiore a qualsiasi preimpregnazione dielettrica disponibile.
La tecnologia dei dissipatori di calore in rame è particolarmente adatta quando la maggior parte del calore è generata da un numero ristretto o specifico di componenti del PCB. Il dissipatore in rame offre la soluzione migliore per la dissipazione localizzata del calore su un PCB, indipendentemente dal numero di strati o dal materiale di cui è composto. Questo concetto prevede l'inserimento a pressione di un dissipatore di calore in rame in un incavo pretagliato sulla scheda, direttamente sotto un punto caldo identificato. Ciò consente di trasferire il calore direttamente al dissipatore attraverso lo strato di materiale del PCB. Questo processo aggira lo strato di materiale del PCB che tradizionalmente rappresenta il collo di bottiglia per la dissipazione del calore.
Il componente in rame è incorporato nel PCB e può assumere diverse forme e configurazioni. La configurazione scelta dal progettista rifletterà il compromesso tra instradamento, requisiti del piano di alimentazione e vicinanza del componente in rame al componente che necessita di raffreddamento.
Le figure 1 e 2 mostrano un componente in rame massiccio che si estende tra gli strati da 1 a 4, fungendo da supporto per l'assemblaggio e fornendo il miglior canale di scambio termico per un componente caldo.
In altri casi, se le dimensioni del supporto sono troppo ridotte e si deve considerare il passaggio dei conduttori sotto un supporto caldo, il pezzo di rame può essere inserito solo fino a uno strato specifico e non
attraverso l'intero PCB. Le figure 3 e 4 mostrano l'implementazione di un pezzo di rame posizionato tra gli strati L4 e L2 che non entra in contatto con lo strato L1.
Moneta di rame
Pezzo di rame
La Figura 5 mostra un componente in rame a forma di T. La forma a T esemplifica come sfruttare le eccellenti proprietà dei componenti in rame quando il supporto che genera calore o il dissipatore di calore presentano superfici di contatto diverse, ad esempio un supporto piccolo e un dissipatore di calore grande, o viceversa.
Un altro esempio del suo utilizzo si ha quando esistono limitazioni sulle dimensioni minime del
componente in rame. L'utilizzo di una forma a T consente di mantenere le dimensioni complessive del componente entro i limiti minimi, garantendo al contempo il contatto con un supporto di dimensioni inferiori al requisito minimo per il componente stesso. I componenti a forma di T offrono un eccellente compromesso in termini di prestazioni e ingombro, poiché la forma offre flessibilità per quanto riguarda lo spazio occupato dal componente.
Sebbene questa tecnologia sia relativamente nuova, abbiamo riscontrato un notevole successo quando il PCB è progettato in modo ottimale per essa. Con ogni elemento esterno aggiuntivo, i registri e le tolleranze diventano una preoccupazione fondamentale e il processo richiesto si fa più complesso. La parte in rame rappresenta l'apice dello scambio termico che può essere applicato in modo efficiente a livello di scheda senza componenti aggiuntivi. Sia che si tratti della progettazione di un MCPCB o di una parte in rame, consigliamo di collaborare con il proprio fornitore di PCB, soprattutto quando si ha a che fare con tecnologie così nuove.
Articolo fornito da NCAB Group Iberia
