Consigli per la progettazione di PCB di potenza.

Le applicazioni elettroniche più recenti si basano su componenti ad elevata integrazione in grado di sopportare livelli di potenza e frequenze di funzionamento sempre maggiori. La necessità di gestire correnti e tensioni elevate, in presenza di segnali misti e di elevata frequenza, pone il progettista di fronte a sfide tecniche molto complesse, a partire proprio dalla progettazione del circuito stampato.

Aspetti come selezione dei componenti, routing delle piste, separazione tra le varie aree della scheda, interconnessioni tra i layer e gestione termica, devono essere presi in considerazione in modo meticoloso, al fine di realizzare un prodotto affidabile e efficace. La regola più importante da seguire quando si progetta un PCB di elevata potenza è quella di identificare il percorso di massima potenza, in particolare il numero e la posizione dei componenti in grado di generare la maggiore quantità di calore. Questo implica che occorre determinare il livello di potenza associato ad ogni traccia e al PCB, le temperature ambientali, il materiale utilizzato per la fabbricazione del PCB e la densità dei circuiti integrati presenti sulla scheda.

Scelta del materiale

I circuiti elettronici per applicazioni ad alta potenza necessitano non soltanto di tecniche di progettazione efficaci, ma anche di materiali, per la produzione del circuito stesso, capaci di eliminare la quantità di calore prodotta dai componenti. Ne consegue che per i PCB ad alta potenza si utilizzino dei materiali caratterizzati da basse perdite e da un’elevata conduttività termica.

Uno dei principali parametri che determinano la scelta del materiale e la conduttività termica (TC), la quale indica l’efficienza con la quale il calore si trasferisce attraverso un materiale e che si esprime in Watt per metro Kelvin (W/m/K). Con una conduttività termica di circa 400 W/m/K, un materiale come il rame è capace di trasferire molto rapidamente l’energia termica. Il substrato del materiale dielettrico possiede invece dei valori di TC più bassi: l’FR4, uno dei materiali più utilizzato nella produzione dei circuiti elettronici, ha una TC pari a circa 0,20 W/m/K. Per i circuiti stampati ad alta potenza, come quelli utilizzati nelle applicazioni RF, negli amplificatori e nei circuiti di conversione della potenza, è preferibile utilizzare dei materiali specifici come i substrati e i laminati Rogers. Un materiale come il Rogers 6035HTC, che prenderemo come esempio, ha un valore di TC pari a 1,44 W/m/K ed è capace di sopportare dei livelli di potenza elevatissimi con un aumento di temperatura molto ristretto. Un secondo parametro importante è il coefficiente di dilatazione termica (CTE), che deve essere scelto in modo tale che la dilatazione o la contrazione subita dal materiale (causata da valori elevati di potenza e di temperatura) non generi dei problemi meccanici sul PCB, sulle piste, o in prossimità dei fori passanti placcati (PTH), utilizzati per trasferire il calore fra i vari layer del PCB.

Una terza caratteristica importante che deve possedere il materiale del PCB per alte potenze è una bassa perdita, in quanto un PCB con elevate perdite di potenza genera una quantità maggiore di calore che può essere difficilmente sopportata. Infine, è necessario selezionare un materiale con un valore di MOT (Maximum Operating Temperature) il più elevato possibile; tale valore indica la temperatura massima che il circuito è in grado di gestire su un periodo di tempo indefinito.

Posizionamento dei componenti

Il posizionamento dei componenti sul PCB determina non soltanto il buon funzionamento del circuito, ma permette anche di evitare problemi durante il montaggio, migliorando la gestione termica. Prima di tutto, è necessario orientare correttamente i componenti, assicurandosi che i componenti simili siano posizionati sul PCB nello stesso senso, semplificando il routing e il processo di saldatura. Tutti i componenti SMD devono essere posizionati sullo stesso lato della scheda, mentre tutti i componenti TH (trough-hole) devono essere posizionati sul lato superiore della scheda in modo tale da minimizzare l’operazione di assemblaggio. Al fine di ridurre le interferenze, è inoltre necessario mantenere separate, per ogni piano di alimentazione, il piano di massa da quello contenente i segnali controllo. Se il piano di massa si trova su un layer intermedio, è preferibile prevedere un percorso a bassa impedenza per ridurre il rischio d’interferenze e proteggere i segnali di controllo.

Layout e routing

Il layout del circuito, in particolare il percorso delle tracce, deve essere preso in considerazione fin dall’inizio della progettazione. Fra i fattori che influiscono sul design, possiamo sicuramente citare il tipo di materiale utilizzato per il circuito stampato, il posizionamento e il numero di componenti sulla scheda, il livello di potenza massimo sviluppato dal circuito, la temperatura dell’ambiente che circonda il dispositivo e la tecnica di raffreddamento utilizzata (flusso d’aria, dissipatore termico o altro).

Il primo step riguarda il posizionamento dei componenti di alta potenza, accertandosi che i collegamenti siano corti e larghi in modo tale da evitare un loop di massa e la generazione di disturbi. I componenti che generano una elevata quantità di calore non devono essere concentrati nella stessa zona, ma ripartiti uniformemente per migliorare la gestione termica, proteggendo il circuito stampato di una possibile deformazione. I loop di corrente, in particolare sui percorsi con correnti molto elevate, devono essere evitati limitando le cadute di tensione resistive e altri fenomeni d’interferenza fra i componenti. I circuiti con correnti elevate devono avere necessariamente delle piste di rame con spessore maggiore.

Lo standard IPC-2221 relativo alla progettazione dei PCB, fornisce dei diagrammi che permettono di calcolare l’appropriata larghezza delle piste.

La larghezza minima delle piste, per ogni Ampere di corrente e per ogni aumento di temperatura di 10 °C, è compresa tra 10 Mil e 1 oz di rame (1 oz = 1.37 mils = 0.0347 mm). In caso di dubbio, è preferibile scegliere una pista più larga, in quanto piste troppo strette per una determinata corrente potrebbero danneggiare il circuito o dare come risultato una prestazione scadente.

Degli ampi piani di rame e dei vias sono consigliati per eliminare il calore dei componenti di alta potenza. I piani di rame devono essere connessi sullo strato superiore o inferiore, al fine di massimizzare il trasferimento di calore verso un ambiente adeguato. Al contrario, il piano di alimentazione e di massa dovrebbero essere posizionati all’interno della scheda, facendo in modo che essi siano simmetrici e centrati, al fine di impedire che la scheda si deformi. I vias multipli devono essere posizionati in maniera tale da trasferire energia da un layer all’altro, dirigendo il flusso termico dalle fonti di calore verso un altro piano o un altro layer. Come mostrato in figura 1, esistono diversi tipi di vias: i vias passanti (through hole) collegano tra loro gli strati superiore e inferiore, i vias ciechi (blind vias) e i micro vias collegano uno strato esterno ad uno strato interno, mentre i buried vias collegano due strati interni.

Figura 1: Differenti tipi di vias.

Il progetto diventa più complesso con l’aumentare dei layer. Una strategia di routing da noi raccomandata esige l’alternanza delle piste orizzontali e verticali sui layer adiacenti; ove ciò non sia possibile, occorre separare ogni segnale con un piano di riferimento.

Gestione termica

Un’eccellente gestione termica è necessaria affinché l’apparecchio funzioni correttamente nei limiti di una temperatura accettabile e sicura.

La temperatura di giunzione, che in un dispositivo basato sul silicio varia da +125°C a 175°C, non deve mai essere superata. Il suo valore è in genere indicato nella scheda tecnica del produttore.

Nel momento in cui la corrente circola in un circuito, i componenti passivi e attivi generano del calore la cui dissipazione diviene sempre più difficile in proporzione alla dimensione ridotta del componente. La maggior quantità di calore è generata dal componente che si trova sul percorso di alimentazione: è assolutamente necessario dissipare questo calore nell’ambiente circostante il più rapidamente possibile. Se richiesto, dei dissipatori di calore e delle ventole di raffreddamento possono essere aggiunte per mantenere bassa la temperatura dei componenti. Un’altra soluzione per dissipare il calore consiste nel prevedere dei piani di massa che agiscono come dei grandi dissipatori, trasportando il calore in modo uniforme su tutto il circuito stampato. Per PCB di alta potenza si raccomanda inoltre di prevedere un piano termico in grado di sottrarre calore alla scheda. Quest’ultimo deve essere posizionato sugli strati esterni della scheda, consentendo una dissipazione di calore nell’ambiente circostante più efficace.

Inoltre, i vias termici permettono di trasferire il calore lontano dai componenti sensibili, mantenendo la loro funzionalità e integrità. Fra le più recenti tecnologie di gestione termica dei circuiti stampati figura la “copper coin technology”, svilluppata per migliorare la dissipazione del calore dei componenti ad alta potenza verso un’aletta di raffreddamento situata dietro la scheda, migliorando così l’affidabilità dei componenti. Come mostrato in figura 2, il copper coin viene inserito all’interno del PCB proprio sotto al componente di alta potenza; la sua funzione principale è quella di trasferire il calore generato, ma può anche essere utilizzato come conduttore del circuito. La tecnologia copper coin offre un’eccellente trasmissione termica ed elettrica, ottenuta grazie a un processo relativamente semplice e poco costoso.

Figura 2: Circuito stampato costruito con copper coin technology.