A medida que la tecnología evoluciona, los dispositivos electrónicos se vuelven cada vez más potentes, lo que conlleva diversos problemas, como el sobrecalentamiento. Las placas de circuito impreso (PCB) con núcleo metálico, también conocidas como PCB de núcleo metálico o MCPCB, se están convirtiendo en componentes cada vez más populares en los dispositivos electrónicos actuales, especialmente en aquellos que requieren una gestión térmica eficaz. Estas placas de circuito impreso con núcleo metálico son ideales para el control térmico en sistemas compactos de alta potencia.
Hablamos sobre las ventajas de las PCB con núcleo metálico en dispositivos electrónicos y exploramos componentes electrónicos de alta potencia que pueden ayudarte a maximizar el potencial de cualquier proyecto electrónico. Ya sea que trabajes con una PCB de aluminio, una PCB con núcleo de cobre o una placa híbrida con núcleo metálico, elegir el fabricante adecuado de PCB con núcleo metálico o MCPCB es crucial.
¿Qué son las PCB con núcleo metálico (MCPCB)?
Este tipo de placa de circuito tiene varios nombres, como PCB de sustrato metálico aislado, revestida de aluminio, con base de aluminio y metálica. Todos estos términos se refieren a diversos tipos de placas de circuito impreso con núcleo metálico, o PCB de núcleo metálico, que en su mayoría comparten las mismas ventajas y características.
Las placas de circuito impreso (PCB) con núcleo metálico, como su nombre indica, cuentan con un núcleo metálico cerca del disipador de calor. El núcleo metálico puede ubicarse en el centro de la superficie, debajo de la placa, o en la parte trasera exterior. Este diseño es consistente en diferentes variantes de placas de circuito impreso (PCB), incluyendo tanto las de aluminio como las de núcleo de cobre.
El metal posee una alta conductividad térmica, crucial para una placa de circuito impreso. El núcleo metálico desempeña un papel fundamental en los sistemas de refrigeración, ya que dirige el calor desde los componentes electrónicos principales de la PCB hacia componentes esenciales como el soporte metálico del disipador térmico o el núcleo.
Dependiendo del uso de la electrónica de destino, las placas de circuito impreso (PCB) con núcleo metálico pueden ser de una o dos caras. Sin embargo, las PCB multicapa con núcleo metálico no se utilizan ampliamente debido a la complejidad de su proceso de fabricación.
Las placas de circuito típicas utilizan FR4 o CEM3, mientras que las placas PCB con núcleo metálico utilizan núcleos metálicos. Además de disipar el calor, las placas PCB con núcleo metálico ofrecen estabilidad mecánica y mantienen el aislamiento eléctrico entre las capas del circuito y los componentes.
Materiales de las PCB con núcleo metálico
Las PCB con núcleo metálico pueden tener núcleos de aluminio, cobre o metal. En algunos casos, los núcleos metálicos pueden ser mezclas de diferentes aleaciones especiales. Por ejemplo, se puede usar latón o acero, pero no se recomienda debido a su dureza, que dificulta el desmontaje de la placa de circuito en varias piezas.
Núcleo de aluminio
Las placas de circuito impreso (PCB) con núcleo de aluminio son el tipo más común de circuito impreso con núcleo metálico. Estas placas disipan el calor generado por los componentes con alta intensidad térmica de forma más eficiente. Esto facilita una distribución más uniforme de la disipación térmica en toda la PCB.
Núcleo de cobre
Algunas PCB también cuentan con núcleos de cobre, que mejoran la conductividad térmica y ayudan a reducir las temperaturas de trabajo dentro de los componentes.
Aunque el cobre es una excelente opción para dispositivos electrónicos propensos al sobrecalentamiento, es una opción más cara en comparación con el aluminio. Los fabricantes de PCB con núcleo metálico utilizan principalmente núcleo de cobre en las siguientes situaciones:
● Una sola capa de un solo lado: Una PCB equipada con una sola capa de pedestal hecho de cobre para fines de refrigeración.
● Matriz de vía térmica láser rellena de cobre: En las placas de circuitos basados en metal, las vías rellenas de cobre se perforan con láser, formando una red que mejora la conducción del calor en comparación con las vías normales.
● Pedestal de doble cara: En una PCB de doble cara, hay un pedestal a base de cobre en los dos lados para una disipación del calor más rápida.
Estructura y espesor de la PCB con núcleo metálico
La estructura de una PCB con núcleo metálico típica incluye una capa de máscara de soldadura, una capa dieléctrica y un núcleo metálico en la parte inferior.
Capas superiores
La primera capa es la máscara de soldadura, seguida de una capa de circuito y otra de cobre. Estas capas se encuentran sobre un dieléctrico intermedio, que es una capa de núcleo metálico. La capa superior de película de cobre consiste en una fina película de cobre con trazas de circuito. El espesor de esta capa varía entre 1 oz y 4 oz (onzas por pie cuadrado).
Capa dieléctrica
La capa más interna actúa como capa dieléctrica. Aísla el núcleo metálico de la película de cobre, facilitando al mismo tiempo la transferencia de calor entre las capas.
Capa de núcleo metálico
El núcleo metálico es la capa inferior. El metal utilizado suele ser aluminio, y su espesor varía de 1 mm a 3.2 mm. El núcleo metálico actúa como disipador de calor, absorbiendo el calor de los componentes que lo generan y disipándolo. Es la capa más gruesa de una PCB, lo que le confiere rigidez y asegura su planitud.
Detalles de espesor y conductividad térmica
El núcleo hace que la placa de circuito sea lo suficientemente gruesa para ser compatible con todo el hardware de montaje de placa estándar, y la parte metálica expuesta de la placa no está cubierta con un acabado de superficie o máscara de soldadura.
El núcleo metálico de la PCB con núcleo metálico presenta una alta conductividad térmica, típicamente entre 1 W/mK y 9 W/mK. Esta alta conductividad térmica, combinada con una fina capa de aislamiento de aproximadamente 100 µm, permite que la placa transfiera el calor rápidamente.
Beneficios de las PCB con núcleo metálico
Las PCB con núcleo metálico se utilizan ampliamente en dispositivos electrónicos gracias a su excelente rendimiento térmico, mejor acoplamiento capacitivo y alto blindaje electromagnético. Analicemos las ventajas de las PCB con núcleo metálico con más detalle:
1. Disipación de calor:
El metal es conocido por su alta conductividad térmica, lo que hace que las PCB de núcleo metálico sean ideales para dispositivos con problemas de calentamiento. Los componentes facilitan la transferencia de calor en todo el aparato, reduciendo los problemas de calentamiento localizado. Su capacidad de conducción térmica hace que las PCB con núcleo metálico sean ideales para circuitos de alta potencia.
Se realizó un experimento de producción de calor en luminarias LED de 1 W con una placa de circuito impreso (PCB) de núcleo metálico o una placa de circuito impreso FR-4. El sobrecalentamiento tuvo poco o ningún impacto en la PCB de núcleo metálico, mientras que la placa de circuito impreso FR-4 alcanzó los 37 °C.
2. Estabilidad y fuerza:
Los fabricantes de tecnología LED, especialmente los de iluminación LED de alta potencia, han destacado el problema del sobrecalentamiento en los últimos años.
Los dispositivos electrónicos de alta potencia son propensos a fallar sin un mecanismo eficiente de disipación de calor. Las PCB con núcleo metálico solucionan este problema distribuyendo uniformemente el calor por todo el dispositivo a través del núcleo metálico, minimizando así los daños por calentamiento.
El aluminio es un material liviano que proporciona resistencia a la placa de circuito impreso sin necesariamente agregar peso a todo el dispositivo electrónico, lo que hace que la PCB sea ideal para la iluminación LED de alta potencia.
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3. Estabilidad dimensional:
Las PCB con núcleo metálico presentan una estabilidad dimensional relativamente mayor que las PCB fabricadas con materiales tradicionales como FR-4, especialmente en condiciones ambientales fluctuantes.
Por ejemplo, un material PCB metálico que fue expuesto a procesos de calentamiento que van desde 30°C hasta 150°C mostró un cambio de dimensión de entre 2.5% y 3.5% en comparación con el convencional, que se expandió a aproximadamente 4%.
Sin embargo, las placas de circuito impreso con núcleo metálico, como el aluminio o el cobre, gracias a su superior estabilidad térmica, pueden resistir eficazmente esta tensión térmica y mantener la consistencia a diferentes temperaturas. Esta estabilidad reduce el riesgo de deformación de la placa de circuito a altas temperaturas.
4. Longevidad:
Las placas de circuito impreso (PCB) tradicionales se fabrican principalmente con materiales delicados como la cerámica y la fibra de vidrio, que son frágiles y destructibles. Por otro lado, las placas de circuito impreso (PCB) con núcleo metálico son más resistentes gracias a este.
Las placas de circuito metálicas reducen el riesgo de rotura o daños durante su fabricación y ensamblaje. Además, prolongan la vida útil del aparato.
La calidad garantiza que la placa de circuito impreso resista la presión mecánica durante su fabricación. La durabilidad y resistencia de la electrónica garantizan que no se rompa bajo tensión mecánica.
5. Ligero y de bajo costo:
Las variantes de placas de circuito impreso (PCB) con núcleo metálico son más livianas y, por lo tanto, rentables.
El aluminio es más fácil de refinar, lo que lo convierte en una opción rentable para los sustratos de placas de circuitos, reduciendo los costos de fabricación de las placas a base de aluminio.
Por lo tanto, las placas de circuito de aluminio ofrecen una alternativa económica a opciones más voluminosas y costosas.
6. Alta reciclabilidad:
El aluminio es un material reciclable, lo que hace que las PCB con núcleo metálico sean más ecológicas y rentables. Es uno de los materiales más reciclados del planeta. Puede reciclarse repetidamente sin que se deteriore su calidad.
Diferentes tipos de PCB con núcleo metálico
Las PCB con núcleo metálico se clasifican en diferentes tipos según la posición del núcleo metálico en las PCBMC. Algunos tipos de PCB con núcleo metálico incluyen:
Una sola capa:
Como su nombre indica, una placa de circuito impreso monocapa (MCPCB) se construye con una sola capa conductora de cobre. A esta le sigue una placa base metálica que le confiere rigidez.
La capa de circuito conductor térmico aísla la placa de circuito, lo que la hace adecuada para aplicaciones más simples donde el sobrecalentamiento no es una preocupación.
El núcleo suele estar hecho de aluminio. La estructura básica de una placa de circuito impreso monocapa consta de un núcleo metálico (generalmente de aluminio) y una capa dieléctrica o aislante. Esta estructura es ideal para dispositivos de audio, sensores, equipos de embalaje y relés automotrices.
Doble cara:
Una PCB de doble cara consta de dos capas, con el núcleo de metal intercalado entre estas capas de cobre, interconectadas mediante orificios pasantes chapados (PTH) que conectan las capas de cobre.
Los fabricantes de PCB con núcleo metálico pueden usar la doble cara de la placa de circuito para montar los componentes SMT y THT. Las PCB de doble cara se utilizan en diseños de circuitos complejos con capas de trazas a ambos lados del núcleo metálico.
Laminar las dos capas de cobre al núcleo de cobre requiere tanto material como habilidad. Algunos proveedores de PCB con núcleo metálico ofrecen láminas prelaminadas para el recubrimiento metálico, lo que agiliza el proceso.
Multicapa:
Como su nombre indica, una placa de circuito impreso multicapa metálica alberga más de dos capas conductoras. La base metálica se sitúa en la parte inferior, lo que permite a los fabricantes montar sus componentes en un solo lado de la placa.
En las PCB multicapa, el núcleo metálico se coloca entre las demás capas, con el mismo número de capas por encima y por debajo del núcleo. Por ejemplo, una PCB metálica de 12 capas tendría exactamente 6 capas por encima y por debajo de su núcleo metálico.
COB (Chip en placa) MCPCB:
Se utiliza una placa de circuito impreso (MCPCB) integrada cuando se requiere separación termoeléctrica. Ahorra espacio y ofrece un alto rendimiento.
En las PCB metálicas estándar, hay una capa dieléctrica entre las trazas de cobre y el núcleo metálico, que limita la conductividad térmica debido a las propiedades aislantes de la capa dieléctrica.
Por otro lado, los MCPCB COB incorporan un chip en el núcleo metálico, lo que facilita la disipación del calor. Esta configuración genera una interconexión eléctrica entre el chip y las pistas de la placa de circuito.
Procesos de fabricación de PCB con núcleo metálico
Las PCB con núcleo metálico se fabrican de la misma manera que las PCB tradicionales, excepto algunos pasos diferentes debido a la adición de un núcleo metálico.
Selección de Materiales
El proceso comienza con la selección del material adecuado para la placa de circuito impreso MCPCB, según su uso. La aplicación de una PCB específica determina el material más adecuado para el núcleo, la capa aislante y la lámina de cobre.
La selección del material generalmente se basa en el nivel de conductividad térmica, la constante dieléctrica y las propiedades mecánicas requeridas.
Trío
Antes de la colocación y fresado del metal, los fabricantes de núcleos metálicos perforan el núcleo con perforadoras controladas por computadora, lo que maximiza la consistencia y la precisión. La perforadora selecciona automáticamente la broca correcta y carga el cabezal en la máquina.
Aunque las máquinas perforadoras cuentan con una perforación de alta velocidad, es un proceso que consume mucho tiempo porque cada orificio debe perforarse uno por uno.
Deposición de cobre
El núcleo metálico está recubierto con una fina capa de cobre. Esto se logra mediante galvanoplastia, un proceso que implica el recubrimiento electrolítico del metal.
Aplicación fotorresistente
Las capas de cobre se recubren con una película orgánica ópticamente activa llamada fotorresistencia. Tras la exposición a la luz ultravioleta, el patrón de la película exterior se aplica a la superficie de la placa. La exposición de la estructura a la luz ultravioleta mediante una fotomáscara da como resultado un patrón de trazas de cobre.
Aguafuerte
Las áreas donde no se aplicó fotorresistencia se graban para eliminar el exceso de cobre, dejando intacto el patrón de trazas de cobre y eliminando el exceso de cobre en la placa.
Laminación de la capa de aislamiento
Una capa de polímero de alta temperatura, también llamada capa aislante, se lamina sobre el núcleo metálico por ambos lados. Este paso garantiza que las pistas de cobre queden cubiertas por la capa aislante.
Aplicación de máscara de soldadura
Se aplica una máscara de soldadura a ambos lados de la PCB metálica. Esta capa protectora de laca fotoimprimible protege la placa de daños causados por la oxidación y la exposición ambiental. Por lo tanto, la placa permanece protegida del polvo y otros componentes.
Los fabricantes de PCB con núcleo metálico dejan aberturas en la capa de máscara de soldadura para facilitar la colocación y soldadura de los componentes.
enrutamiento
El fresado se realiza al final del proceso de producción para crear el contorno de la placa de circuito. Esto se realiza generalmente mediante una máquina CNC o fresadora controlada por computadora, que perfora cortes o ranuras internas. La máquina está programada para seguir una trayectoria predefinida en el archivo de la herramienta original.
El polvo generado durante el fresado se recoge mediante un cepillo situado cerca del cabezal de fresado. Este utiliza un sistema similar a una aspiradora para aspirarlo.
Aplicación de acabado superficial
Las capas de cobre se recubren con otra capa de material metálico u orgánico destinado a proteger las capas de cobre expuestas de la oxidación y el daño ambiental.
Corte en V
En la última etapa de fabricación, el ranurado en V se realiza cortando una V en ambos lados de la placa de circuito. Se conserva una cantidad mínima de material, lo que permite a los fabricantes de PCB con núcleo metálico separar la PCB del panel de producción.
Pruebas e Inspección
Al igual que cualquier componente eléctrico, una placa de circuito debe probarse para garantizar su calidad y funcionamiento adecuado.
Los fabricantes de PCB con núcleo metálico realizan pruebas eléctricas en placas de circuitos utilizando comprobadores de sondas volantes para placas de circuitos complejas. Además, pueden utilizar comprobadores de rejilla universal para probar grandes lotes de placas de circuitos.
Prueba de alto potenciómetro
Esta prueba verifica si la seguridad eléctrica de las placas de circuito impreso (PCB) con núcleo metálico cumple con las características especificadas y los estándares de aislamiento. Consiste en medir la resistencia de aislamiento y la tensión de ruptura de las placas de circuito.
La prueba de confiabilidad también puede detectar defectos en la placa de circuito, incluidos orificios en el aislador, aisladores rotos o dañados o poca distancia eléctrica entre los componentes.
Factores que afectan el diseño de PCB con núcleo metálico
La fabricación de placas de circuito impreso metálicas implica la evaluación de diversos factores para garantizar un rendimiento y una fiabilidad óptimos. Esto incluye:
1. Conductividad térmica
Cuanto mayor sea la conductividad térmica del material del núcleo, más rápido disipará el calor del componente generador de calor en el aparato electrónico.
Como resultado, el material del núcleo y su espesor dependen de los requisitos de energía del aparato y de la velocidad a la que se debe eliminar el calor del mismo.
2. Constante dieléctrica
El rendimiento de una PCB con núcleo metálico también depende del tipo de material aislante, que es la constante dieléctrica en la fabricación de PCB MC. El material aislante, colocado entre el núcleo y las capas de cobre, tiene una constante dieléctrica.
La constante dieléctrica afecta la conductancia de una placa metálica. Una constante dieléctrica alta aumenta la capacitancia y la transmisión de la señal. Una constante dieléctrica baja reduce la capacitancia de una placa de circuito metálico y la transmisión de la señal.
Dependiendo de la transmisión de señal necesaria para una aplicación específica, el fabricante de PCB con núcleo metálico selecciona el material aislante de acuerdo con su constante dieléctrica.
3. Ancho y espaciado de la traza
La capacidad de conducción de corriente y el voltaje requerido para una aplicación específica también determinan el tamaño de la placa, y el espacio entre dos pistas es importante. Por lo tanto, el espaciado y el ancho de la placa probablemente afecten la eficiencia.
4. Máscara de soldadura y serigrafía
La máscara de soldadura y la serigrafía protegen las capas de cobre de la placa. También ayudan a identificar la placa y los componentes mediante coloración y etiquetado. El color de la máscara y la serigrafía depende de las necesidades de la aplicación.
5. Estabilidad mecánica
Las placas de circuito impreso MCPCB están sujetas a impactos, vibraciones y variaciones significativas de temperatura. Por lo tanto, la placa debe ser lo suficientemente estable como para soportar tensiones mecánicas. La estabilidad de la placa depende del tipo de material utilizado, el grosor del núcleo y la conexión realizada.
Teniendo en cuenta estos factores, es fundamental trabajar con un fabricante de MCPCB experimentado que garantice que la placa de circuito ofrezca un rendimiento óptimo y cumpla con los requisitos específicos de la aplicación.
Aplicaciones de PCB con núcleo metálico
Es fundamental tener en cuenta la diferencia entre las placas de circuito FR-4 y las PCB de metal para comprender las aplicaciones de las placas de circuito metálico.
Diversos aparatos electrónicos requieren mucha energía para funcionar. Además, generan una cantidad considerable de calor, que a veces puede concentrarse lo suficiente como para causar sobrecalentamiento. En este caso, las placas de circuito impreso (PCB) con núcleo metálico se convierten en una alternativa superior a las placas de circuito impreso FR-4.
Las ventajas de las PCB con núcleo metálico son su rápido enfriamiento y la disipación eficaz del calor para electrodomésticos de alta potencia. Las placas de circuito impreso de cobre o aluminio poseen mejor conductividad térmica y resistencia a la tracción, así como una tensión de ruptura superior, ideal para electrodomésticos de calentamiento rápido.
A continuación se enumeran las principales aplicaciones y usos de los PCB metálicos:
● Iluminación LED
● Relés de estado sólido
● Proveedores de energía
● Reguladores de voltaje
● Paneles solares
● Células fotovoltaicas
● Control de motores en vehículos eléctricos híbridos.
Conclusión
Las PCB con núcleo metálico se emplean ampliamente en aplicaciones que requieren una disipación de calor eficiente, como iluminación LED, electrónica automotriz y electrónica de potencia, donde el sobrecalentamiento puede dañar potencialmente los electrodomésticos.
El núcleo de metal actúa como un disipador de calor, distribuyendo el calor al entorno, a diferencia de las placas de circuito tradicionales con un sustrato no conductor como FR4.
En general, las PCB con núcleo metálico brindan una solución confiable y eficiente para diversas aplicaciones electrónicas gracias a sus capacidades superiores de gestión térmica y rendimiento mecánico.
Preguntas Frecuentes (FAQ)
1. ¿Qué núcleos metálicos se utilizan en las PCB metálicas?
Los núcleos metálicos más comunes en las PCB incluyen núcleos de aluminio, ya que son comparativamente más económicos que otros metales. Además, disipan el calor con mayor eficacia. Sin embargo, también se pueden utilizar otros metales, como el cobre y el acero, según la complejidad del dispositivo.
2. ¿Son las PCB con núcleo metálico mejores que las PCB FR4?
Sí, las PCB con núcleo metálico superan a las PCB FR4 convencionales en cuanto a mayor conductividad térmica, durabilidad y frecuencia. Sin embargo, la mayoría de los fabricantes prefieren las FR4 a las PCB metálicas por su menor coste, lo que contribuye a la reducción de costes.
3. ¿Por qué se utilizan tan ampliamente las PCB con núcleo metálico?
Una de las principales razones por las que las placas de circuito impreso (PCB) con núcleo metálico se utilizan ampliamente es porque evitan que los dispositivos se sobrecalienten. El núcleo metálico absorbe el calor y lo disipa eficientemente, garantizando así la protección del dispositivo contra el sobrecalentamiento. Además, estas placas de circuito mejoran la conductividad térmica, prolongando así la vida útil del dispositivo.
4. ¿Es posible ensamblar PCB con núcleo metálico mediante procesos SMT estándar?
Sí, los procesos SMT pueden utilizarse en PCB con núcleo metálico. Sin embargo, estos procesos están sujetos a un coeficiente de expansión térmica diferente del metal y del material del núcleo.
5. ¿Las PCB con núcleo metálico son más caras que las PCB estándar?
Las PCB metálicas se diferencian por los materiales y el proceso de fabricación. Esto las hace más costosas que las placas estándar. Sin embargo, las PCB con núcleo metálico son una inversión rentable gracias a su mayor rendimiento y fiabilidad.
