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Risposta rapida:Le prestazioni termiche di un PCB in alluminio non sono determinate solo dalla piastra di alluminio. Nella maggior parte dei progetti, il dielettrico termico tra il circuito di rame e la base metallica rappresenta il principale collo di bottiglia, mentre l’area del rame, lo spessore del dielettrico, la disposizione dei componenti, il materiale di interfaccia e il dissipatore esterno completano il percorso del calore.
Gli ingegneri spesso confrontano le schede in alluminio in base a un unico valore di conducibilità, ma quel numero può essere fuorviante quando viene separato dallo stack-up reale. Una scheda con un dielettrico di classe superiore può comunque funzionare a temperatura più elevata se il dielettrico è spesso, l’area di diffusione del rame è limitata, la piazzola del componente è collegata male al percorso termico o l’interfaccia tra scheda e dissipatore è debole.
Questa guida spiega come interpretare la conducibilità termica di un PCB in alluminio, come il calore si sposta attraverso una scheda con nucleo metallico e quali informazioni un OEM dovrebbe fornire prima del rilascio di un prototipo.
La conducibilità termica descrive quanto facilmente un materiale conduce il calore ed è normalmente espressa in W/m·K. In un PCB in alluminio, tuttavia, diversi materiali sono disposti in serie, quindi la conducibilità di uno strato non equivale alle prestazioni termiche della scheda completa.
La base in alluminio è altamente conduttiva rispetto a un laminato organico, ma il calore generato da un LED, un MOSFET, un raddrizzatore o un IC di potenza deve prima lasciare la piazzola del componente, diffondersi nel rame, attraversare il dielettrico termico, entrare nel nucleo di alluminio e poi trasferirsi a un dissipatore, a un involucro o all’aria circostante. Lo strato con la resistenza termica più elevata può dominare l’aumento di temperatura.
Una domanda ingegneristica più utile non è quindi solo «Qual è la conducibilità?», ma «Qual è la resistenza termica totale dalla giunzione del componente alla superficie di raffreddamento finale?».
Il percorso del calore di un tipico PCB con nucleo metallico a singolo strato è: giunzione del componente → giunto di saldatura → circuito di rame → dielettrico termico → base in alluminio → materiale di interfaccia termica → dissipatore o involucro.
La struttura standard utilizzata in un PCB in alluminio professionale comprende uno strato di circuito in rame, uno strato isolante termicamente conduttivo e una base in alluminio. Lo strato di rame diffonde il calore lateralmente, il dielettrico termico fornisce l’isolamento elettrico consentendo al contempo il trasferimento di calore e il nucleo di alluminio distribuisce il calore su un’area più ampia.
Per i moduli LED, la scheda è solo una parte del sistema. Il contatto meccanico tra scheda e corpo dell’apparecchio, la pressione delle viti, la planarità della superficie, lo spessore del grasso termico o del pad termico e il flusso d’aria influenzano tutti la temperatura di giunzione finale. WYD’spagina prodotto PCB in alluminiooffre un utile punto di partenza per esaminare le strutture disponibili e le opzioni di produzione.
Le seguenti variabili devono essere valutate insieme, perché modificare un parametro può spostare il collo di bottiglia termico su un’altra parte dell’assieme.
Parametro |
Perché è importante |
Cosa confermare prima del preventivo |
Conducibilità termica del dielettrico |
Uno strato isolante a più alta conducibilità può ridurre la resistenza attraverso lo spessore, ma solo quando il valore è verificato per il grado di materiale selezionato. |
Nome del materiale, valore testato, spessore, requisito di isolamento di tensione |
Spessore del dielettrico |
La resistenza termica generalmente aumenta quando lo strato isolante diventa più spesso. |
Spessore minimo di sicurezza per rigidità dielettrica e capacità di processo |
Spessore e area del rame |
Il rame diffonde il calore lateralmente e supporta la corrente, ma aggiungere rame non risolve automaticamente un percorso termico verticale carente. |
Peso del rame, dimensione delle piazzole, area del piano, restringimenti locali |
Spessore del nucleo di alluminio |
Un nucleo più spesso migliora la rigidità e la diffusione del calore su un’area più ampia, ma aggiunge peso e non elimina la resistenza del dielettrico. |
Dimensioni della scheda, metodo di montaggio, planarità ed esigenze di separazione dei pannelli |
Interfaccia tra scheda e dissipatore |
Intercapedini d’aria, pressione irregolare, superfici ruvide o un pad eccessivamente spesso possono creare una notevole resistenza di interfaccia. |
Tipo di TIM, pressione di montaggio, planarità del dissipatore, materiale dell’involucro |
L’illuminazione a LED richiede solitamente una distribuzione stabile della temperatura su molte sorgenti luminose, mentre l’elettronica di potenza concentra spesso il calore attorno a un numero minore di componenti ad alta dissipazione.
In un modulo di illuminazione, gli ingegneri devono valutare la spaziatura dei LED, la diffusione del rame, gli obiettivi di mantenimento del flusso luminoso, la temperatura ambiente, l’alloggiamento dell’apparecchio e se la scheda viene pilotata in modo continuo vicino alla potenza massima. Il WYDsoluzioni PCB per illuminazionela pagina mostra come un PCB in alluminio per illuminazione a LED possa essere integrato in una progettazione termica più ampia anziché essere trattato come una parte isolata.
Negli alimentatori, nei driver per motori, nei convertitori e nei moduli inverter, il progetto deve anche tenere conto di corrente elevata, perdite di commutazione, creepage e clearance, densità locale del rame e calore generato da componenti magnetici o semiconduttori. Per questi progetti, lasoluzione PCB per energia e alimentazionedovrebbe essere esaminata insieme allo stack-up della scheda.
Una richiesta di offerta affidabile definisce l’obiettivo termico, il requisito di isolamento elettrico, i vincoli meccanici e il metodo di prova, invece di richiedere solo un valore di conducibilità generico.
Fornire la mappa di potenza dei componenti o almeno la dissipazione massima dei dispositivi più caldi. Includere dimensioni della scheda, peso del rame, numero di strati, preferenza di spessore del dielettrico, tensione di isolamento minima, spessore dell’alluminio, finitura superficiale, colore della maschera di saldatura, posizione dei fori di montaggio e interfaccia prevista con il dissipatore.
È inoltre utile indicare la temperatura ambiente massima, la temperatura consentita per componenti o scheda, il metodo di raffreddamento, il ciclo di funzionamento e se il prodotto sarà validato tramite termocoppia, imaging a infrarossi o stima della temperatura di giunzione.
· Definire la sorgente di calore: tipo di componente, quantità, perdita di potenza, geometria delle piazzole e ciclo di funzionamento.
· Definire il confine di raffreddamento: convezione naturale, aria forzata, conduzione nell’involucro, piastra fredda o dissipatore esterno.
· Definire l’isolamento elettrico: tensione di lavoro, requisito di sovratensione, obiettivi di creepage e clearance.
· Definire i limiti meccanici: spessore della scheda, planarità, pressione di montaggio, tolleranza di ingombro e vibrazione.
· Richiedere uno stack-up documentato e un grado di materiale piuttosto che una descrizione generica «ad alta conducibilità termica».
· Validare il percorso termico assemblato su un prototipo nelle condizioni peggiori di ambiente e carico.
L’errore più comune è confrontare la conducibilità di massa dell’alluminio con la conducibilità dell’intero stack-up del PCB. Un altro è scegliere il dielettrico più sottile senza verificare la rigidità dielettrica, il margine di processo, la topografia superficiale e l’affidabilità a lungo termine.
Gli ingegneri devono anche evitare di presumere che un nucleo di alluminio più spesso abbassi sempre la temperatura del componente più caldo. Quando il dielettrico termico o il materiale di interfaccia è dominante, aumentare lo spessore del nucleo può aggiungere costi e peso con benefici limitati. Allo stesso modo, un grande dissipatore non può compensare una piazzola di saldatura scadente, una connessione in rame stretta o aria intrappolata nell’interfaccia di montaggio.
Un produttore capaceproduttore di PCB in alluminiodovrebbe esaminare insieme i dati Gerber, lo stack-up, le informazioni sulla potenza dei componenti e l’assieme meccanico. WYD PCB può supportare il confronto di prototipi tra opzioni di dielettrico e nucleo prima che uno stack-up di produzione venga congelato.
Non automaticamente. Il valore deve essere considerato insieme allo spessore del dielettrico, alla diffusione del rame, alla disposizione dei componenti, al contatto tra scheda e dissipatore e al metodo di raffreddamento del sistema. Uno stack-up bilanciato può superare un materiale di classe superiore utilizzato in un assieme debole.
La conducibilità termica è una proprietà del materiale. La resistenza termica descrive l’aumento di temperatura causato da un determinato flusso di calore attraverso uno strato o un assieme completo, quindi include conducibilità del materiale, spessore, area e interfacce.
Può migliorare la diffusione laterale del calore e la rigidità meccanica, specialmente su schede di grandi dimensioni, ma può avere scarso effetto quando il dielettrico o l’interfaccia esterna è il principale collo di bottiglia.
Fornire dissipazione di potenza, area della scheda, aumento di temperatura target, tensione di isolamento, layout del rame, temperatura ambiente, metodo di raffreddamento e vincoli meccanici. Il grado di materiale e lo spessore possono quindi essere selezionati insieme.
A volte il nucleo metallico e l’involucro forniscono un raffreddamento sufficiente per una densità di potenza moderata, ma gli assiemi ad alta potenza di solito richiedono ancora un percorso definito verso un dissipatore, un alloggiamento o una piastra fredda.
Testare un prototipo completamente assemblato nelle condizioni peggiori di tensione di ingresso, carico, temperatura ambiente e flusso d’aria. Misurare le temperature critiche di componenti e scheda dopo il raggiungimento dell’equilibrio termico e confrontarle con i limiti di progetto.
