Esistono diversi termini per definire questa categoria di circuiti stampati, come PCB metallici, Insulated Metal Substrate (IMS or IMPCB), Metal Core PCB (MCPCB), Aluminium Clad, Aluminium Base, e altro ancora. Anche se in apparenza diverse, tutte queste definizioni fanno riferimento allo stesso tipo di PCB, le cui caratteristiche tecniche e i benefici introdotti sono identici. Rispetto ai tradizionali PCB basati su vetro epossidico FR-4, i PCB metallici offrono anzitutto una maggiore dissipazione del calore grazie a una conducibilità termica da 5 a 10 volte superiore e uno spessore fino a 10 volte inferiore rispetto alle architetture convenzionali. Il trasferimento di energia termica, particolarmente efficiente, consente ai PCB metallici di utilizzare layer di rame molto leggeri, riducendo sia i costi sia lo spessore della soluzione.
I PCB metallici sono composti da un layer dielettrico in grado di offrire un’elevata conducibilità (e quindi dissipazione) termica, un layer metallico e un foglio di rame con elevate capacità di dissipazione del calore ed elevata resistenza meccanica, utilizzato per la litografia del circuito. I materiali più comunemente utilizzati per realizzare il layer metallico sono l’alluminio e il rame, ma in alcune applicazioni può essere utilizzato anche l’acciaio inossidabile. Il rame offre prestazioni e proprietà elettriche superiori all’alluminio, ma il suo costo è relativamente più alto. Il layer metallico può essere composto interamente da metallo, oppure da una combinazione di fibra di vetro (FR-4) e metallo. I PCB metallici possono poi essere a singola faccia oppure doppia faccia, mentre la versione multistrato è meno comune a causa della elevata complessità di fabbricazione. Nel caso di un PCB multistrato, i layer devono essere distribuiti uniformemente rispetto al layer metallico; ad esempio in un PCB con 12 layer, il layer metallico sarà collocato al centro dello stackup, con 6 layer al di sopra e 6 layer al di sotto di esso.
Poiché il metallo è in grado di trasferire facilmente il calore sottraendolo dai component di maggiore potenza, le tipiche applicazioni dei PCB metallici includono alimentatori, convertitori di potenza, sistemi di illuminazione a led e circuiti di potenza in ambio automotive (fari, luci, ventole di raffreddamento, clima e altro ancora). Questo tipo di tecnologia, oltre a un’efficiente gestione termica, consente di prolungare la durata dei componenti (ad esempio i led), migliorando l’affidabilità del circuito.
Struttura e applicazioni
La tecnologia MCPCB, introdotta inizialmente negli anni '60 per le applicazioni di alta potenza, è oggi ampiamente utilizzata nelle applicazioni in cui occorra mantenere una temperatura di esercizio ridotta. Il materiale isolante dielettrico, che rappresenta l’anima di ogni PCB metallico, è progettato per offrire una conducibilità termica (generalmente compresa tra 1W/mK e 9W/mK) molto superiore a quella dell’FR-4, consentendo una efficiente rimozione del calore. L'elevata conducibilità termica e il ridotto spessore dell'isolamento (la misura standard è pari a 100µm) consentono quindi un rapido ed efficace trasferimento del calore prodotto. Un valore di conducibilità termica comunemente utilizzato per il dielettrico è 2W/mK, un valore molto superiore a quello dell’FR-4. I risultati migliori si ottengono mantenendo il layer dielettrico più sottile possibile. Ciò consente infatti di ridurre al minimo il percorso di dissipazione del calore dai punti in cui viene generato fino al layer metallico, il quale è molte volte più conduttivo, dal punto di vista termico, del materiale dielettrico.
La struttura di un classico PCB metallico è visibile in Figura 1. Il layer superiore è formato da un sottile foglio di rame su cui verranno serigrafate le tracce come avviene nei circuiti stampati convenzionali. Lo spessore tipico di questo layer è compreso tra 1oz e 4oz, ma può anche essere maggiore. Il layer più interno è rappresentato dal dielettrico, la cui funzione è quella di isolare elettricamente il layer metallico dal foglio di rame, consentendo tuttavia un rapido trasferimento di calore tra i due strati. Infine, troviamo il layer metallico che, nella maggior parte dei casi, è in alluminio, con spessore compreso tra 1mm e 3,2 mm (il valore tipico è 1,6 mm).
Figura 1: Struttura tipica di un PCB metallico.
Le principali applicazioni dei PCB metallici includono illuminazione a led, controllo motori nei veicoli elettrici e ibridi, relè allo stato solido, alimentatori, convertitori, regolatori di tensione, pannelli solari e celle fotovoltaiche. Più in generale, questa tecnologia è adatta alle applicazioni che richiedono molta energia e che, quindi, generano molto calore. Se il PCB richiede un raffreddamento rapido, è meglio utilizzare un PCB metallico piuttosto che un tradizionale FR-4. L’alluminio, il metallo maggiormente utilizzato per il layer metallico, presenta caratteristiche elettriche molto vantaggiose, tra cui un’ottima conducibilità termica, compresa tra 5W/mK e 2W/mK (Watt per metro Kelvin), tensione di breakdown superiore a 3kV ed elevata resistenza alla trazione.
I 5 Vantaggi Principali dei PCB Metallici
Oltre a un’eccellente dissipazione termica, i PCB metallici offrono una maggiore densità di potenza, elevata schermatura elettromagnetica e un migliore accoppiamento capacitivo. Le prestazioni termiche possono essere ulteriormente migliorate utilizzando, come nei tradizionali PCB, dei via termici. Verranno ora elencati i cinque principali vantaggi offerti da questa tecnologia.
1 – Dissipazione Termica
Gli MCPCB rappresentano una delle opzioni di circuito stampato con maggiore conducibilità termica. Mantenendo il calore il più possibile lontano dai componenti di potenza, evitano possibili danni al circuito, potendo gestire circuiti ad elevata densità con livelli di potenza superiori. L’alluminio è uno dei materiali maggiormente utilizzati per questo tipo di substrato: oltre alle sue proprietà elettriche, l’alluminio presenta il vantaggio di essere riciclabile e di avere un costo contenuto. I PCB con anima metallica trasferiscono il calore da 8 a 9 volte più velocemente dei PCB realizzati con l’FR-4. Il layer dielettrico deve essere molto sottile, in modo da creare il percorso più breve dalla fonte di calore alla piastra metallica di supporto. Il suo spessore è normalmente compreso tra 0,003 e 0,006 pollici. A titolo di esempio, si consideri che un test condotto su un MCPCB con led integrato da 1W ha dimostrato come la sua temperatura si sia mantenuta vicina a quella ambiente di 25°C, mentre lo stesso led di potenza montato su una scheda FR-4 ha raggiunto una temperatura superiore di 12°C rispetto a quella ambiente.
2 – Migliore Resistenza e Stabilità
Il recente e rapido sviluppo della tecnologia led, in particolare l'illuminazione con led di alta potenza, ha sollevato preoccupazioni sulla dissipazione del calore. Poiché sono solitamente montati direttamente sul PCB, questi led possono creare problemi di stabilità e affidabilità al circuito. Senza adottare la giusta tecnica, la dissipazione del calore può ostacolare le prestazioni dei dispositivi elettronici che funzionano ad elevata potenza. L’utilizzo di PCB metallici in queste applicazioni consente di risolvere efficacemente questo problema. Oltre a garantire un’elevata durata, l'alluminio è molto leggero, aggiunge forza e resilienza al circuito stampato senza comportare un incremento del peso.
3 – Stabilità dimensionale
Le dimensioni di un circuito stampato metallico si mantengono più stabili, al variare delle condizioni ambientali, rispetto a quelle di un PCB realizzato con materiali tradizionali come l’FR-4. Sottoposti a un processo di riscaldamento da 30°C a circa 150°C, i PCB con layer metallici (alluminio) hanno subito una variazione delle dimensioni molto contenuta, compresa tra 2,5% e 3,0%.
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4 – Minore Peso e Maggiore Riciclabilità
I PCB con substrati metallici sono più leggeri, durano più a lungo e sono maggiormente conduttivi rispetto ai PCB tradizionali realizzati con materiali epossidici. Inoltre, sono più rispettosi dell’ambiente, in quanto i metalli utilizzati, tra cui l’alluminio, non sono tossici e sono facilmente riciclabili. L'alluminio è molto facile da estrarre e raffinare e ciò lo rende notevolmente meno costoso rispetto ad altri metalli. Di riflesso, anche i costi di produzione associati ai PCB che utilizzano substrati in alluminio sono inferiori. I PCB in alluminio rappresentano inoltre un'alternativa economica ai più costosi e ingombranti dissipatori di calore. Notoriamente, l'alluminio è un metallo atossico e totalmente riciclabile. Nella catena che collega il produttore con il consumatore finale, l'utilizzo dell'alluminio nei PBC metallici contribuisce alla salvaguardia del nostro pianeta.
5 – Elevata Durata
L'alluminio offre una maggiore resistenza e durata dei materiali comunemente utilizzati nella fabbricazione dei PCB, come ceramica e fibra di vetro. È un metallo molto robusto in grado di ridurre il rischio di rotture accidentali che possono verificarsi durante le varie fasi della produzione, durante l’assemblaggio o durante il normale utilizzo del prodotto finale. In Figura 2 sono visibili alcuni esempi di PCB in alluminio per applicazioni nel campo dell’illuminazione a led.
Figura 2: Esempi di PCB in alluminio.
