Placa de circuito impresso com revestimento de cobre para dissipação de calor extrema.

Com a miniaturização e o aumento da potência dos produtos eletrônicos, o problema da geração de calor nas placas de circuito impresso tornou-se mais sério. Dispositivos de alta potência, como alguns drivers e módulos de comunicação, geram uma grande quantidade de calor em uma área muito pequena. Sem um gerenciamento térmico adequado, o calor não só prejudica o desempenho dos componentes, como também pode causar danos e afetar a vida útil de todo o dispositivo.

Os métodos comuns de dissipação de calor, como vias térmicas, preenchimento de cobre, dissipadores de calor ou mesmo PCBs com núcleo metálico, já não são suficientes em alguns cenários de alta potência ou alta densidade térmica. Nesses casos, o PCB com núcleo de cobre se faz necessário para permitir a transferência direta e rápida do calor dos componentes que o geram para o dissipador de calor ou para o ambiente externo, encurtando o caminho de dissipação térmica e aumentando a eficiência.

Neste blog, apresentaremos em detalhes a placa de circuito impresso (PCB) com núcleo de cobre, incluindo suas estruturas, diferenças entre os tipos, pontos-chave de projeto, possíveis problemas encontrados no processo de fabricação e seu desempenho em dispositivos reais de alta potência.

O que é uma PCB de moeda de cobre?

Uma placa de circuito impresso com bloco de cobre (PCB com moeda de cobre) refere-se a um tipo de placa de circuito impresso multicamadas que incorpora um bloco sólido de cobre em seu interior, conhecido como moeda de cobre na PCB ou PCB coin. Essa peça de cobre é geralmente posicionada diretamente sob chips ou dispositivos de potência que geram muito calor, funcionando como uma ponte térmica para ajudar a dissipar o calor dos componentes mais rapidamente.

Em uma placa de circuito impresso padrão, o calor precisa primeiro passar pelo FR-4, um material isolante. Sua condutividade térmica é muito baixa e sua eficiência de dissipação de calor também não é alta. Na placa de circuito impresso com núcleo de cobre, o calor é transferido diretamente para o bloco de cobre e, em seguida, rapidamente para o outro lado da placa de circuito ou para o dissipador de calor, percorrendo um caminho mais curto e com maior eficiência.

A razão para o uso do cobre é que sua condutividade térmica é de aproximadamente 380-400 W/m·K, enquanto a do FR-4 é de apenas 0.3-0.5 W/m·K. Ou seja, a condutividade térmica do cobre é de 200 a 800 vezes maior do que a dos materiais isolantes comumente usados ​​em PCBs. Portanto, PCBs com revestimento de cobre tornaram-se uma solução ideal para o problema de dissipação de calor em produtos eletrônicos de alta potência e alta densidade térmica, como módulos de potência, LEDs, equipamentos de radiofrequência, eletrônica automotiva e outras áreas.

Tipos de estruturas de moedas de cobre

De acordo com as diferenças nos requisitos de projeto, layout dos componentes e métodos de fabricação, as moedas de cobre para PCBs podem ser classificadas em diferentes tipos:

Podemos observar na tabela que cada estrutura de PCB com formato de moeda de cobre oferece vantagens exclusivas, dependendo dos requisitos da aplicação.

Como funciona a placa de circuito impresso com moeda de cobre

O mecanismo de dissipação de calor das placas de circuito impresso com moedas de cobre baseia-se no conceito de design de estabelecer um caminho de baixa resistência térmica com materiais metálicos de alta condutividade térmica. Ao incorporar moedas de cobre maciço dentro das placas de circuito impresso, o calor pode ser transferido diretamente do chip para o meio de dissipação de calor, o que pode reduzir o acúmulo de calor em materiais isolantes (como o FR-4), aumentando assim a eficiência geral da dissipação de calor.

Processo de transferência de calor

O fluxo de calor na placa de circuito impresso (PCB) de cobre tipo moeda pode ser dividido nas seguintes etapas:

1. Geração de calor

Chips ou dispositivos de alta potência geram calor durante o funcionamento.

2. Transferência de calor da almofada para a moeda de cobre

O calor é conduzido da área de contato do componente para a moeda de cobre localizada embaixo ou próxima ao componente.

3. Condução vertical de calor através da moeda de cobre

Devido à alta condutividade térmica do cobre (aproximadamente 380–400 W/m·K), o calor é conduzido rapidamente na vertical através da estrutura da placa de circuito impresso, contornando o material FR-4 de baixa condutividade térmica.

4. Propagação ou transferência de calor para estruturas de dissipação de calor

Após passar pela placa de circuito impresso (PCB), o calor se espalha por grandes planos de cobre ou é transferido para dissipadores de calor externos, bases de alumínio ou invólucros metálicos.

5. Dissipação de calor para o ambiente

Por fim, o calor é dissipado no ar circundante por convecção ou conduzido ao chassi ou à carcaça.

Sobre PCBasic

Tempo é dinheiro em seus projetos – e PC Basic recebe-lo. PCBasico é um empresa de montagem de placas que oferece resultados rápidos e impecáveis ​​sempre. Nossa abrangente Serviços de montagem de PCB incluem suporte de engenharia especializada em cada etapa, garantindo a mais alta qualidade em cada placa. Como líder fabricante de montagem de PCB, Oferecemos uma solução completa que otimiza sua cadeia de suprimentos. Faça parceria com nossos avançados Fábrica de protótipos de PCB para entregas rápidas e resultados superiores nos quais você pode confiar.

Moeda de cobre versus outras soluções de gerenciamento térmico

A potência dos produtos eletrônicos está cada vez maior, e o problema da geração de calor precisa ser resolvido. Diferentes soluções de gerenciamento térmico possuem características próprias: algumas têm baixo custo, mas eficácia mediana, enquanto outras oferecem alta condutividade térmica, porém são caras. As placas de circuito impresso com núcleo de cobre se situam entre esses dois extremos, proporcionando condutividade térmica eficiente sem serem tão caras quanto materiais cerâmicos ou de diamante, tornando-as adequadas para uso em larga escala em produtos industriais.

A tabela a seguir compara diversas soluções comuns de gerenciamento térmico para facilitar a compreensão intuitiva de suas diferenças em termos de capacidade de condução de calor, eficiência, custo e cenários de aplicação.

Diretrizes de projeto para PCBs de cobre tipo moeda

A chave para PCBs com camadas de cobre está em: onde os blocos de cobre são posicionados, como as camadas da placa são projetadas e se o processo de fabricação está alinhado. Somente quando esses aspectos são tratados corretamente é possível alcançar o efeito ideal de dissipação de calor.

1. Recomendações de posicionamento para componentes e moeda de cobre

.  A moeda de cobre deve ser colocada diretamente sob o componente que gera calor ou o mais próximo possível dele.

.  Minimize a distância entre a área de contato do componente e a superfície de cobre.

.  Evite rotear sinais de alta velocidade nesta área.

.  Certifique-se de que a moeda de cobre não interfira com as esferas de solda ou vias do BGA.

2. Considerações sobre a Estrutura da Placa de Circuito Impresso (PCB) Uma estrutura típica de PCB com componentes de cobre em formato de moeda inclui: • Máscara de solda e camada de componentes • Pads de cobre / Interface térmica • Componente de cobre embutido na PCB • Pré-impregnado + camadas internas de cobre • Camada inferior de cobre ou dissipador de calor Opções de formato do componente em formato de moeda: • Circular • Retangular • Em formato de degrau (multinível) • Geometria personalizada adaptada à área de contato do componente

2. Considerações sobre a configuração das camadas da placa de circuito impresso (PCB).

Uma placa de circuito impresso (PCB) típica para moedas de cobre é construída com a seguinte estrutura:

.  Camada superior com máscara de solda e ilhas de contato para componentes.

.  Uma moeda de cobre maciça de PCB embutida sob a área de contato.

.  Pré-impregnado e camadas internas de cobre por baixo

.  Camada inferior de cobre ou dissipador de calor/base metálica, dependendo do projeto.

A própria placa de circuito impresso (PCB) pode ser circular, retangular, em formato de degrau ou personalizada para se adequar à área de contato do componente.

3. Como as moedas de cobre são embutidas

Existem três métodos comumente usados ​​para incorporar uma moeda em uma placa de circuito impresso (PCB):

4. Desafios e Tolerâncias Comuns

Durante a produção, as placas de circuito impresso (PCBs) de cobre podem apresentar alguns problemas:

.  Se a moeda se deslocar durante a laminação, a transferência de calor pode ser comprometida.

.  O excesso de resina ao redor da placa de circuito impresso (PCB) pode causar saliências ou vazios na superfície.

.  O cobre exposto na placa de circuito impresso deve ser tratado para evitar a oxidação.

.  A moeda ocupa espaço interno na placa de circuito impresso, dificultando o roteamento — especialmente em projetos de alta densidade ou HDI.

Aplicações de PCB de moedas de cobre

As placas de circuito impresso com revestimento de cobre são amplamente utilizadas em indústrias onde o desempenho da dissipação de calor afeta diretamente o desempenho e a segurança dos equipamentos.

Conclusão

A placa de circuito impresso com pastilhas de cobre é atualmente um dos métodos de dissipação de calor mais eficazes e confiáveis ​​em dispositivos eletrônicos de alta potência. Ela forma um caminho de condução de calor com resistência térmica extremamente baixa, incorporando diretamente a pastilha de cobre dentro da placa de circuito impresso, o que permite transferir o calor do chip mais rapidamente, reduzir a temperatura e prolongar a vida útil do dispositivo.

Em comparação com as vias térmicas tradicionais ou substratos metálicos MCPCB, as PCBs de cobre tipo moeda conduzem o calor mais rapidamente, têm uma difusão térmica mais uniforme, menor resistência térmica, ocupam menos espaço e apresentam maior confiabilidade geral.

À medida que os dispositivos eletrônicos se tornam menores e mais potentes, a importância dessa tecnologia continuará a crescer. De eletrônicos automotivos e sistemas de satélite a estações base 5G e módulos de iluminação LED, os chips de PCB se tornaram a escolha ideal para melhorar o desempenho de dissipação de calor e a confiabilidade.