Introduzione
La gestione termica delle schede e dei dispositivi elettronici riveste un’importanza fondamentale per garantire che ogni componente funzioni all’interno del range di temperatura ammesso e per ottenere un elevato valore di efficienza energetica, riducendo al minimo le perdite di potenza per dissipazione del calore. Le sfide da affrontare sono sempre più ardue, legate sia alla crescente miniaturizzazione dei componenti discreti, sia all’elevata complessità delle funzionalità da essi implementate che si traduce spesso in un funzionamento in zona limite, prossimo alla temperatura di giunzione dei semiconduttori. I circuiti stampati (PCB) rappresentano la base di ogni circuito elettronico e, ospitando componenti ad elevata densità di integrazione in spazi sempre più ristretti, sono uno dei fattori chiave responsabili del controllo e della corretta dissipazione del calore.
PCB e dissipazione del calore
Per sua natura, il circuito stampato non è un buon conduttore del calore, essendo composto da substrati di materiale che assicurano l’isolamento tra le connessioni elettriche che uniscono i componenti. Il materiale più comunemente utilizzato per la fabbricazione dei PCB, l’FR4 o vetronite, ha una conducibilità termica molto ridotta, pari a circa 0,3 W/mK. Tale valore si discosta notevolmente da quello del materiale normalmente impiegato per realizzare le tracce, ovvero il rame, la cui conducibilità termica è pari a 390 W/mK. Ai fini pratici, tuttavia, le tracce conduttive di un PCB non possono essere utilizzate per dissipare il calore in eccesso, in quanto l’area della loro sezione è troppo ridotta. Occorre pertanto introdurre delle tecniche efficienti di dissipazione del calore, facendo in modo che esso sia trasferito dai componenti di potenza verso l’ambiente esterno o verso un piano composto da ampie aree di rame in grado di disperdere il calore nell’ambiente per convezione.
Tecniche di dissipazione del calore
Una tecnica comunemente utilizzata per sottrarre calore ai componenti con elevato assorbimento di potenza consiste nel posizionare al di sotto di essi i vias termici, come indicato nell’esempio di Figura 1. La base del componente, sulla quale si concentra la maggiore quantità di calore, è a diretto contatto del vias termico praticato sulla superficie del PCB. Il flusso di calore viene così trasferito dal componente verso gli strati più interni dello stampato, fino a raggiungere la faccia opposta dove viene dissipato da un radiatore o da un piano di materiale conduttivo. Per migliorare la dissipazione del calore, i vias termici sono spesso collegati a piani di massa o di potenza del PCB. Pur essendo una soluzione economica, l’efficienza dei vias termici non è molto elevata. Infatti, il flusso di calore interessa prevalentemente le pareti dei vias, che presentano una sezione trasversale con area ridotta. La parte interna dei vias, cava, non contribuisce al trasferimento di calore, come del resto il materiale isolante che compone il substrato posto intorno ai vias.
Recentemente, è stata sviluppata una tecnica in grado di ottenere una dissipazione del calore più efficiente tramite sostituzione dei vias termici con blocchi di metallo (comunemente detti “coin” per la tipica forma che assomiglia a una monetina) in grado di incrementare significativamente la quantità e quindi la superficie di materiale conduttivo. In virtù della sua elevata conducibilità termica e della compatibilità con gli attuali processi di fabbricazione dei PCB, il metallo scelto per la realizzazione dei “coin” è stato il rame, da cui il nome della tecnologia: “copper coin”. L’integrazione di sistemi per la rimozione del calore direttamente nella struttura del PCB è oggi una tecnica comprovata e affidabile, particolarmente adatta nelle applicazioni di potenza, come i circuiti RF. La tecnica copper coin può essere implementata in tre diverse modalità:
- incollaggio dei copper coin sul PCB tramite pellicole adesive conduttive;
- inserimento a pressione dei copper coin sul PCB;
- integrazione dei copper durante il processo di fabbricazione del PCB (embedded copper coin).
La possibilità di disporre di più tecniche alternative fornisce al progettista una maggiore flessibilità nel definire il layout della scheda e nella selezione di componenti e materiali.
Copper coin adesivi
Si tratta probabilmente della variante più semplice di questa tecnica, in quanto i copper coin sono applicati sul PCB soltanto dopo aver terminato il processo di fabbricazione del circuito stampato. I coin sono fissati in opportuni punti del circuito utilizzando delle pellicole adesive, conduttive sia dal punto di vista termico che elettrico. In Figura 2 è visibile un esempio di applicazione di copper coin a un PCB finito: la flangia metallica di rame ha la funzione di dissipare il calore, convogliandolo verso un radiatore o un piano metallico. La pellicola conduttiva adesiva, di colore grigio, è visibile nella sporgenza inferiore che fuoriesce dal PCB.
La forza con cui il copper coin aderisce al PCB dipende dal tipo di pellicola adesiva, dal tipo di materiale utilizzato per il PCB, nonché dalla dimensione e geometria della zona che si vuole raffreddare. A seconda del tipo di pellicola adesiva utilizzato, il copper coin può essere collegato elettricamente e termicamente al PCB, completamente isolato da esso, oppure collegato solo elettricamente o solo termicamente.
Copper coin a pressione
Questa tecnica, nota come “press-fit copper coin”, prevede l’inserimento tramite pressatura di blocchetti di rame di diverse forme geometriche all’interno di apposite scanalature praticate sulla superficie del PCB. L’inserimento delle placche di rame viene eseguito durante una delle fasi intermedie del normale processo di fabbricazione dello stampato, utilizzando scanalature con o senza rivestimento di materiale conduttivo. Questa tecnica è relativamente economica ed è largamente impiegata nel settore automotive (controllo motori di elevata potenza) e negli amplificatori di potenza. Il copper coin è progettato includendo un certo numero di nervature sulla superficie esterna, la cui funzione è quella di contribuire ad aumentare la stabilità e l’affidabilità del fissaggio all’interno della scanalatura. Le nervature servono anche a garantire il collegamento elettrico tra copper coin e PCB, inclusa la messa a terra. Attorno al copper coin possono anche essere inseriti dei vias termici. Tuttavia, questo accorgimento non è strettamente necessario (tenendo presente che i copper coin hanno una conducibilità termica di gran lunga superiore rispetto ai vias termici) e viene normalmente adottato quando esiste dello spazio disponibile sul PCB. I copper coin inseriti a pressione hanno normalmente dimensioni non superiori a 40mm x 40mm per non esercitare uno sforzo meccanico eccessivo sul PCB durante la fase di pressatura.
Copper coin integrati
Il terzo e ultimo tipo di tecnica, nota anche come “embedded coppper coin”, prevede l’inserimento dei copper coin durante il processo di fabbricazione del PCB, utilizzando gli stessi processi e macchinari attualmente in uso per la laminazione dei diversi layer. Questa tecnica richiede la preparazione di opportune “finestre” ricavate all’interno degli strati del PCB, i quali vengono riempiti con i copper coin prima di eseguire la laminazione. I copper coin integrati possono essere collegati elettricamente al PCB tramite fori PTH (Plated Through Hole) e deposizione galvanica del rame sui layer superficiali. In Figura 3 è visibile un esempio di PCB copper coin realizzato dalla società Fineline, un’azienda leader mondiale nella fornitura di circuiti stampati ad alta tecnologia. Con una presenza capillare in oltre 40 Paesi, Fineline è in grado di servire tutti i settori tecnologici, inclusi quelli che richiedono le prestazioni più elevate, come il settore aerospaziale, automotive, militare ed elettromedicale.
Come visibile in Figura 4, Fineline offre due diverse tecniche per la realizzazione di copper coin integrati. Con la tecnica A, visibile a sinistra, i copper coin sono applicati tramite pressatura prima del processo di elettrodeposizione. Terminato tale processo, il copper coin viene collegato elettricamente con i due layer più esterni. Utilizzando invece la tecnica B, i copper coin sono applicati dopo il processo di elettrodeposizione: si noti come, in questo caso, essi siano posti in contatto elettrico con i layer interni del PCB.
Conclusioni
La tecnica basata sui copper coin rappresenta una soluzione efficiente e affidabile per la gestione termica dei circuiti elettronici di potenza. In genere si tende a preferire l’inserimento a pressione, economico e semplice da implementare. Per dimensioni dei copper coin maggiori, si può ricorrere alla tecnica dell’applicazione con adesivo oppure ai copper coin integrati.
