PCB con nucleo metallico (MCPCB) di PCBasic  

Con l'aumento della potenza, delle dimensioni e delle prestazioni dei prodotti elettronici, la dissipazione del calore è diventata un problema importante da risolvere nella progettazione dei PCB. I materiali tradizionali per PCB (come FR-4 e poliimmide) hanno una scarsa conduttività termica e sono difficili da dissipare tempestivamente nei circuiti ad alta potenza, il che può facilmente portare a un surriscaldamento eccessivo dei componenti o persino a danni.

Per risolvere questo problema, PCBasic si è concentrata sulla progettazione e produzione di circuiti stampati con nucleo metallico (MCPCB), noti anche come PCB con nucleo metallico, PCB rivestiti in metallo o PCB termici. Questo tipo di circuito stampato incorpora uno strato di nucleo metallico nel suo design, che può dissipare il calore più rapidamente, rendendo il funzionamento del circuito più stabile e affidabile. È particolarmente adatto per l'uso in vari prodotti elettronici ad alta potenza e alte prestazioni.

Che cos'è l'MCPCB?

Gli MCPCB, noti anche come PCB con substrato metallico isolato (IMS) o PCB con rivestimento termico, sono un tipo di circuito stampato con nucleo metallico progettato specificamente per risolvere il problema del riscaldamento dei prodotti elettronici.

A differenza dei tradizionali PCB FR-4, che utilizzano resina o fibra di vetro come materiale di base, un PCB con nucleo metallico incorpora nella sua struttura uno strato di base metallico, tipicamente realizzato in leghe di alluminio, rame o acciaio. Questo strato metallico può condurre rapidamente il calore generato dai componenti e trasferirlo al dissipatore di calore o allo strato del nucleo metallico, rendendo così il circuito più stabile e meno soggetto a surriscaldamento.

Tra questi materiali metallici, l'alluminio è il più comunemente utilizzato per la sua buona conduttività termica, l'elevata resistenza meccanica e il basso costo. Attualmente è la scelta principale per la produzione di MCPCB.

Gli MCPCB sono costituiti da uno strato conduttivo, uno strato di isolamento termico e uno strato di substrato metallico.

Un circuito stampato standard con nucleo metallico è composto da:

· XNUMX€  Strato maschera di saldatura

· XNUMX€  Livello del circuito Circuit

· XNUMX€  Strato di rame (1 oz–6 oz di rame, più comune 1–2 oz)

· XNUMX€  Strato di isolamento dielettrico

· XNUMX€  Strato centrale metallico (alluminio, rame o acciaio) che funge da dissipatore di calore

· XNUMX€  Rivestimento protettivo o finitura opzionale

Vantaggi di MCPCB

Rispetto ai circuiti stampati tradizionali, i PCB con nucleo metallico presentano i seguenti evidenti vantaggi:

1. Dissipazione del calore superiore

Grazie all'utilizzo di materiali metallici, la conduttività termica dei PCB con nucleo metallico (in particolare substrati in alluminio e rame) è estremamente elevata. È in grado di dissipare rapidamente il calore generato da LED ad alta potenza, moduli di potenza, componenti elettronici per autoveicoli, ecc., migliorando significativamente l'efficienza di dissipazione del calore e rendendo il circuito più stabile.

2. Riduzione della necessità di dissipatori di calore esterni

Le schede MCPCB sono in grado di condurre il calore molto bene, quindi in molti casi non è necessario aggiungere dissipatori o ventole di raffreddamento aggiuntivi. In questo modo, l'apparecchiatura risulta più piccola, più leggera e dal design più semplice.

3. Elevata resistenza meccanica

Lo strato centrale in metallo (in particolare il materiale in alluminio) rende il circuito stampato più rigido, in grado di resistere alle sollecitazioni causate da flessione, vibrazioni, dilatazione e contrazione termica, e più durevole sia in fase di produzione che di utilizzo.

4. Leggero ed ecologico

Rispetto ai circuiti stampati in ceramica o fibra di vetro, i circuiti stampati con nucleo metallico non sono solo più leggeri e resistenti, ma anche riciclabili e riutilizzabili. In particolare, l'alluminio, atossico, ecologico e riciclabile, è altamente adatto alla produzione sostenibile.

5. Stabilità dimensionale

Nell'intervallo di temperatura compreso tra 30°C e 150°C, i PCB con nucleo metallico mantengono dimensioni e prestazioni stabili, garantendo il funzionamento affidabile a lungo termine dell'apparecchiatura.

Tipi di MCPCB

A seconda della configurazione degli strati conduttivi e metallici, gli MCPCB possono essere classificati in cinque tipi principali:

1. MCPCB a strato singolo

2. COB MCPCB (Chip-on-Board)

3. Doppi strati MCPCB

4. MCPCB bifacciale

5. MCPCB multistrato

MCPCB a strato singolo

MCPCB a strato singolo 

Un PCB con nucleo metallico monostrato è composto da tre parti: lo strato di rame del circuito, lo strato di isolamento dielettrico e la base metallica (solitamente in alluminio). Questa struttura è semplice e pratica, economica e affidabile nelle prestazioni, ed è particolarmente adatta alla produzione di massa.

applicazioni:

• Illuminazione a LED e lampade ad alta luminosità

• Relè per autoveicoli e industriali

• Apparecchiature audio e amplificatori

• Sensori e macchinari per l'imballaggio

Gli MCPCB monostrato prodotti da PCBasic sono ampiamente utilizzati nell'illuminazione a LED. Grazie alle loro eccezionali prestazioni di dissipazione del calore, possono ridurre efficacemente la temperatura, garantendo la luminosità e la longevità delle lampade.

COBMCPCB

Un COB MCPCB (Chip-on-Board Metal Core PCB) è un tipo speciale di circuito stampato con nucleo metallico. La sua caratteristica principale è che i die nudi sono installati direttamente sulla scheda con nucleo metallico, eliminando la necessità dello strato dielettrico di barriera presente nella struttura tradizionale.

Questo design consente al chip di essere a contatto diretto con il PCB con nucleo metallico, garantendo uno scambio termico più rapido ed efficiente. La conduttività termica può superare i 200 W/m·K, un valore pressoché equivalente a quello del materiale metallico di base.

La struttura di base del PCB con nucleo metallico COB comprende:

· XNUMX€  Incollaggio diretto dei chip su PCB con nucleo metallico

· XNUMX€  Collegamento dei cavi per l'interconnessione dei segnali

· XNUMX€  Incapsulamento in resina epossidica per la protezione dei trucioli

Il chip è saldamente integrato nella scheda MCPCB tramite wire bonding e incapsulamento epossidico. Questa soluzione può migliorare l'uniformità della luce e, allo stesso tempo, prolungare la durata dei LED ad alta potenza.

La maggior parte delle schede COB MCPCB utilizza l'alluminio come materiale di base per la sua buona conduttività termica, elevata resistenza e basso costo, diventando la prima scelta per la maggior parte dei produttori di PCB con nucleo metallico. Alcuni prodotti di fascia alta utilizzano anche PCB in alluminio con finitura a specchio e placcatura in argento/oro per migliorare la riflettività e le prestazioni di dissipazione del calore.

applicazioni:

• Lampioni e proiettori a LED

• Moduli di retroilluminazione e display a LED

• Alimentatori e convertitori

• Fari e sistemi di segnalazione per autoveicoli

• Lampade per la coltivazione agricola e orticola

• Sistemi di illuminazione industriale e architettonica

MCPCB a doppio strato

MCPCB a doppio strato 

Un MCPCB a doppio strato è un tipo di circuito stampato con nucleo metallico con una struttura più complessa rispetto a uno a strato singolo. Presenta due strati di rame, entrambi laminati sulla base metallica sullo stesso lato. I materiali comunemente utilizzati sono alluminio o rame. Il nucleo metallico è posizionato nella parte inferiore del circuito stampato, il che può fornire un buon supporto meccanico e favorire una rapida dissipazione del calore.

A differenza dei PCB con nucleo metallico a doppia faccia, in cui i due strati di rame sono distribuiti su entrambi i lati del nucleo metallico, tutti i componenti elettronici di un MCPCB a doppio strato sono installati sullo stesso lato, rendendo la struttura più compatta.

Rispetto ai PCB con nucleo metallico monostrato, la produzione di MCPCB a doppio strato è più complessa. Durante la produzione, è necessaria un'ulteriore fase di laminazione per incollare saldamente lo strato termoconduttivo al substrato metallico. Questa fase richiede elevati requisiti di precisione di processo e deve garantire che gli strati siano isolati e possano condurre l'elettricità in modo affidabile.

Applicazioni del MCPCB a doppio strato

• Inverter e raddrizzatori di potenza

• Preamplificatori e amplificatori audio

• Unità di controllo e regolatori di potenza

• Apparecchiature per l'automazione industriale

• Driver motore e moduli di comunicazione

In qualità di produttore professionale di MCPCB, PCBasic adotta una tecnologia di laminazione avanzata per garantire che in ogni scheda MCPCB a doppio strato, lo strato termoconduttivo sia strettamente combinato con il substrato metallico e non sia soggetto a delaminazione.

MCPCB bifacciale

Simili ai PCB con nucleo metallico a doppio strato, anche i PCB con nucleo metallico a doppia faccia presentano due strati di conduttori in rame. Tuttavia, il nucleo metallico si trova tra questi due strati. In altre parole, sono presenti tracce circuitali sia sulla superficie superiore che su quella inferiore dello strato del nucleo metallico, collegate tramite fori di via placcati.

A differenza dei PCB con nucleo metallico a faccia singola, i MCPCB a faccia doppia richiedono un ulteriore passaggio di laminazione durante la produzione, che lega saldamente gli strati termoconduttivi modellati al substrato del nucleo metallico.

Rispetto ai normali circuiti stampati in FR-4, i PCB con nucleo metallico a doppia faccia richiedono maggiore precisione ed esperienza produttiva. Quando si laminano due strati di lamina di rame sul nucleo metallico, è necessario controllare con precisione la temperatura, la pressione e le prestazioni di isolamento. Solo in questo modo è possibile garantire un buon isolamento elettrico e prestazioni termiche stabili.

applicazioni:

• Unità di controllo industriale

• Convertitori e regolatori di potenza

• Sistemi HVAC

• Cruscotti per autoveicoli

• UPS e sistemi di comunicazione

MCPCB multistrato

MCPCB multistrato 

Un PCB multistrato con nucleo metallico è un tipo di circuito stampato ad alte prestazioni con nucleo metallico. È composto da più strati di rame e materiali dielettrici termoconduttivi, impilati su una solida base metallica.

Questa struttura consente al circuito stampato di realizzare percorsi di segnale interni, piani di massa e percorsi ciechi o interrati, mantenendo al contempo un'elevata conduttività termica. Offre inoltre una maggiore flessibilità di progettazione e migliori prestazioni di gestione termica.

Rispetto ai tradizionali circuiti stampati in FR-4, i requisiti di produzione per gli MCPCB multistrato sono più elevati. Nel processo di laminazione, è necessario controllare con precisione la temperatura, la pressione e le prestazioni di isolamento per garantire che ogni strato di rame possa essere saldamente incollato al nucleo metallico.

applicazioni:

• Server e data center

• Sistemi aerospaziali e satellitari

• Elettronica medica (ECG, cardiofrequenzimetri)

• Sistemi di comunicazione ad alta frequenza

• Strumentazione scientifica