PCB in rame per dissipazione estrema del calore

Con l'aumento delle dimensioni e della potenza dei prodotti elettronici, il problema della generazione di calore sui circuiti stampati è diventato più serio. Dispositivi ad alta potenza come alcuni driver e moduli di comunicazione generano una grande quantità di calore in un'area molto piccola. Senza un'adeguata gestione termica, il calore non solo riduce le prestazioni dei componenti, ma può anche causare danni e compromettere la durata dell'intero dispositivo.

I comuni metodi di dissipazione del calore, come i via termici, le colate di rame, i dissipatori di calore o persino i PCB con nucleo metallico, non sono più sufficienti in alcuni scenari ad alta potenza o ad alta densità di calore. A questo punto, il PCB con nucleo di rame è necessario per consentire il trasferimento diretto e rapido del calore dai componenti che generano calore al dissipatore di calore o all'ambiente esterno, riducendo il percorso di dissipazione del calore e migliorando l'efficienza.

In questo blog, presenteremo in dettaglio il PCB della moneta di rame, comprese le sue strutture, le differenze di tipologia, i punti chiave della progettazione, i possibili problemi riscontrati nel processo di produzione e le sue prestazioni applicative in dispositivi ad alta potenza reali.

Che cos'è un PCB a moneta di rame?

Un PCB a moneta di rame (PCB a blocchi di rame) si riferisce a un tipo di circuito stampato multistrato che incorpora al suo interno un blocco di rame solido, noto come PCB copper coin o PCB coin. Questo pezzo di rame è solitamente posizionato direttamente sotto chip o dispositivi di potenza che generano molto calore, fungendo da ponte termico per aiutare il calore a fuoriuscire più rapidamente dai componenti.

In un PCB standard, il calore deve prima passare attraverso il materiale isolante FR-4. La sua conduttività termica è molto bassa e anche la sua efficienza di dissipazione del calore non è elevata. Nel PCB in rame, il calore viene trasferito direttamente al blocco di rame e poi rapidamente all'altro lato del circuito stampato o al dissipatore di calore, con un percorso più breve e una maggiore efficienza.

Il rame è utilizzato principalmente per la sua conduttività termica, che si aggira intorno ai 380-400 W/m·K, mentre quella del FR-4 è di soli 0.3-0.5 W/m·K. Ciò significa che la conduttività termica del rame è da 200 a 800 volte superiore a quella dei materiali isolanti comunemente utilizzati per i PCB. Pertanto, i PCB in rame sono diventati la soluzione ideale per risolvere il problema della dissipazione del calore di prodotti elettronici ad alta potenza e ad alta densità termica, come moduli di potenza, LED, apparecchiature a radiofrequenza, elettronica automobilistica e altri settori.

Tipi di strutture delle monete di rame

In base alle differenze nei requisiti di progettazione, nella disposizione dei componenti e nei metodi di produzione, le monete di rame PCB possono essere classificate in diverse tipologie:

Dalla tabella possiamo vedere che ogni struttura PCB di monete di rame offre vantaggi unici a seconda dei requisiti dell'applicazione.

Come funziona il PCB delle monete di rame

Il meccanismo di dissipazione del calore dei PCB con monete di rame si basa sul concetto di progettazione di un percorso a bassa resistenza termica con materiali metallici ad alta conduttività termica. Incorporando monete di rame solide all'interno dei PCB, il calore può essere trasferito direttamente dal chip al mezzo di dissipazione del calore, riducendo l'accumulo di calore nei materiali isolanti (come FR-4), migliorando così l'efficienza complessiva della dissipazione del calore.

Processo di trasferimento di calore

Il flusso di calore nel PCB della moneta di rame può essere suddiviso nelle seguenti fasi:

1. Generazione di calore

I chip o i dispositivi di potenza ad alta potenza generano calore durante il funzionamento.

2. Trasferimento di calore dal cuscinetto alla moneta di rame

Il calore viene condotto dal cuscinetto del componente alla moneta di rame situata sotto o accanto al componente.

3. Conduzione verticale del calore attraverso la moneta di rame

Grazie all'elevata conduttività termica del rame (circa 380–400 W/m·K), il calore viene rapidamente condotto verticalmente attraverso la pila di PCB, bypassando il materiale FR-4 a bassa conduttività termica.

4. Diffusione o trasferimento del calore alle strutture di dissipazione del calore

Dopo aver attraversato il PCB, il calore si diffonde in grandi piani di rame o viene trasferito a dissipatori di calore esterni, basi in alluminio o involucri metallici.

5. Dissipazione del calore nell'ambiente

Infine, il calore viene dissipato nell'aria circostante tramite convezione o condotto al telaio o all'alloggiamento.

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Monete di rame vs altre soluzioni di gestione termica

La potenza dei prodotti elettronici è in continua crescita e il problema della generazione di calore deve essere risolto. Diverse soluzioni di gestione termica hanno ciascuna le proprie caratteristiche: alcune hanno costi contenuti ma effetti medi, mentre altre hanno un'elevata conduzione termica ma sono costose. I PCB in rame si collocano tra i due, offrendo un'efficiente conduzione termica senza essere costosi come i materiali ceramici o diamantati, il che li rende adatti all'uso su larga scala nei prodotti industriali.

La tabella seguente confronta diverse soluzioni comuni di gestione termica per facilitare una comprensione intuitiva delle differenze in termini di capacità di conduzione del calore, efficienza, costi e scenari applicativi.

Linee guida di progettazione per PCB di monete di rame

La chiave per i PCB in rame risiede in: dove vengono posizionati i blocchi di rame, come sono progettati gli strati della scheda e se la lavorazione è allineata. Solo quando questi aspetti vengono gestiti correttamente si può ottenere l'effetto di dissipazione del calore ideale.

1. Raccomandazioni per il posizionamento dei componenti e delle monete di rame

· XNUMX€  La moneta di rame deve essere posizionata direttamente sotto il componente che genera calore o il più vicino possibile ad esso

· XNUMX€  Ridurre al minimo la distanza tra il pad del componente e la superficie di rame

· XNUMX€  Evitare di instradare tracce di segnali ad alta velocità in quest'area

· XNUMX€  Assicurarsi che la moneta di rame non interferisca con le sfere di saldatura BGA o con i fori passanti

2. Considerazioni sullo stack-up del PCB Un tipico stack-up del PCB di una moneta di rame include: • Maschera di saldatura e strato di componenti • Pad di rame / Interfaccia termica • Moneta di rame PCB incorporata • Prepreg + strati di rame interni • Strato di rame inferiore o dissipatore di calore Opzioni di forma della moneta: • Circolare • Rettangolare • A forma di gradino (multilivello) • Geometria personalizzata su misura per l'ingombro del componente

2. Considerazioni sullo stack-up del PCB

Un tipico PCB di una moneta di rame è costruito con la seguente struttura:

· XNUMX€  Strato superiore con maschera di saldatura e piazzole per i componenti

· XNUMX€  Una moneta di rame PCB solida incorporata sotto l'area del pad

· XNUMX€  Prepreg e strati interni di rame sottostanti

· XNUMX€  Strato inferiore in rame o dissipatore di calore/base metallica, a seconda del design

La moneta PCB stessa può essere circolare, rettangolare, a forma di gradino o personalizzata per adattarsi all'ingombro del componente.

3. Come vengono incastonate le monete di rame

Esistono tre metodi comunemente utilizzati per incorporare una moneta PCB in un PCB:

4. Sfide e tolleranze comuni

Durante la produzione, i PCB delle monete di rame potrebbero presentare alcuni problemi:

· XNUMX€  Se la moneta si sposta durante la laminazione, il trasferimento di calore potrebbe essere compromesso.

· XNUMX€  La fuoriuscita di resina attorno alla moneta PCB può causare protuberanze o vuoti sulla superficie.

· XNUMX€  Il rame esposto del PCB deve essere trattato per prevenirne l'ossidazione.

· XNUMX€  La moneta occupa spazio interno sul PCB, rendendo più difficile il routing, soprattutto nei progetti ad alta densità o HDI.

Applicazioni del PCB per monete in rame

I PCB in rame sono ampiamente utilizzati nei settori in cui le prestazioni di dissipazione del calore influiscono direttamente sulle prestazioni e sulla sicurezza delle apparecchiature.

Conclusione

Il PCB con moneta di rame è attualmente uno dei metodi di dissipazione del calore più efficaci e affidabili nei dispositivi elettronici ad alta potenza. Incorporando direttamente la moneta di rame del PCB all'interno del circuito stampato, si crea un percorso di conduzione del calore con una resistenza termica estremamente bassa, trasferendo il calore dal chip più rapidamente, riducendo la temperatura e prolungando la durata del dispositivo.

Rispetto ai tradizionali via termici o ai substrati metallici MCPCB, i PCB in rame conducono il calore più velocemente, hanno una diffusione termica più uniforme, una minore resistenza termica, occupano meno spazio e hanno una maggiore affidabilità complessiva.

Con l'aumento delle dimensioni e della potenza dei dispositivi elettronici, l'importanza di questa tecnologia continuerà a crescere. Dall'elettronica automobilistica ai sistemi satellitari, dalle stazioni base 5G ai moduli di illuminazione a LED, i PCB coin sono diventati la scelta ideale per migliorare le prestazioni di dissipazione del calore e l'affidabilità.