Panoramica dei PCB ad alto contenuto di rame

I PCB in rame di grosso spessore rappresentano una tecnologia importante in specifiche applicazioni ad alta potenza e alta corrente, soprattutto in relazione ad alimentatori e apparecchiature che richiedono un'elevata capacità di trasporto di corrente.

1. Che cos'è un PCB ad alto contenuto di rame?

In breve, un PCB con strato di rame spesso è un tipo di circuito stampato in cui lo spessore del foglio di rame è significativamente maggiore rispetto ai PCB convenzionali:

● PCB convenzionali: Lo spessore dello strato esterno di rame è in genere di 1 OZ/ft² (circa 35 µm), mentre gli strati interni sono generalmente di 0,5 OZ/ft² o 1 OZ/ft².

● PCB ad alto spessore di rame: i circuiti stampati con uno spessore di rame ≥ 3 OZ/ft² (circa 105 µm) sono generalmente definiti PCB ad alto spessore di rame. Tecnicamente, lo spessore del rame potrebbe raggiungere 10 OZ/ft² (circa 350 µm) o anche di più.

Conversione:

1 OZ/ft² = 35 µm (micrometri)

Spessori comuni: 1 OZ (35 µm), 2 OZ (70 µm), 3 OZ (105 µm), 4 OZ (140 µm), 6 OZ (210 µm), 10 OZ (350 µm), ecc.

2. Caratteristiche principali e vantaggi dei PCB ad alto contenuto di rame

1) Elevata capacità di trasporto di corrente: questo è lo scopo principale. Secondo la formula I = k * ΔT^0.44 * A^0.725 (standard IPC-2221), la capacità di trasporto di corrente di un conduttore è direttamente correlata all'area della sezione trasversale (A) della lamina di rame. Raddoppiando lo spessore del rame, la capacità di trasporto di corrente potrebbe aumentare significativamente, riducendo il rischio di surriscaldamento.

2) Eccellente dissipazione del calore: il rame è un buon conduttore; uno strato di rame più spesso può condurre più rapidamente il calore generato dai componenti (come MOSFET, IGBT, ecc.) al dissipatore di calore o all'involucro, riducendo la temperatura di esercizio e migliorando l'affidabilità e la durata. 

3) Maggiore resistenza meccanica: gli spessi strati di rame conferiscono maggiore resistenza meccanica ai pad e ai fori passanti dei connettori. Ciò è particolarmente vantaggioso per i connettori che richiedono continue operazioni di inserimento e disinserimento, e uno spessore maggiore del rame offre un supporto più robusto ai componenti pesanti.

4) Disegni speciali:

● Trasformatori/induttori planari: i componenti magnetici possono essere incorporati direttamente nello strato del PCB, ottenendo un'elevata densità di potenza grazie a spesse lamine di rame.

● Percorsi di alimentazione a bassa impedenza: riducono la caduta di tensione e il consumo energetico sui percorsi ad alta corrente.

3. Applicazioni principali

● Alimentatori: Convertitori CA/CC e CC/CC ad alta potenza (ad es. alimentatori per server, alimentatori industriali), UPS.

● Nuove energie: inverter fotovoltaici, convertitori di energia eolica, veicoli a energia nuova (caricabatterie di bordo (OBC), controllori motore, sistemi di gestione della batteria (BMS)).

● Controllo di potenza: azionamenti per motori, controllo industriale, apparecchiature di saldatura.

● Settore aerospaziale e militare: apparecchiature ad alta affidabilità e potenza per applicazioni aeronautiche o satellitari.

● Settore automobilistico: centraline per fari, unità di distribuzione dell'energia.

● Illuminazione a LED ad alta potenza: utilizzata per la dissipazione del calore e per il trasporto della corrente di pilotaggio.

4. Sfide per la progettazione e la produzione

Rispetto ai tradizionali circuiti stampati, le schede in rame pesante, pur offrendo prestazioni specifiche migliorate, comportano anche maggiori esigenze in termini di progettazione e produzione:

Sfide nella progettazione:

● Spessore/Spaziatura delle linee: l'incisione provoca un'incisione laterale, più accentuata con rame più spesso. Pertanto, non è possibile creare linee molto sottili. Le linee sui PCB in rame spesso sono in genere più larghe e con una spaziatura maggiore.

Ad esempio, con uno spessore di rame di 3 OZ, la larghezza/spaziatura minima della linea potrebbe dover essere di 8-10 mil (0,2-0,25 mm) o superiore.

● Requisiti di placcatura in rame: Per sopportare correnti elevate e garantire la resistenza meccanica, la placcatura in rame sulle pareti interne dei fori passanti deve essere più spessa (ad esempio, 2-3 mil o più).

● Allineamento della laminazione: a causa dello spessore non uniforme del rame e del flusso variabile durante la laminazione, il controllo dell'allineamento risulta più difficile.

● Controllo dell'impedenza: nelle applicazioni ad alta frequenza, lo spessore del rame influisce sull'impedenza caratteristica, rendendo più complessi i calcoli di progettazione.

Sfide per la produzione:

1) Trasferimento del motivo/Esposizione: La spessa lamina di rame rende difficile per la pellicola secca o la fotoresist liquida coprire completamente e formare un motivo uniforme, richiedendo un'elevata uniformità di esposizione.

2) Incisione: una delle maggiori sfide. Il processo di incisione richiede più tempo e può verificarsi un'incisione laterale, che si traduce in sezioni trasversali trapezoidali anziché nei rettangoli ideali. È necessario controllare con precisione i parametri di incisione e i prodotti chimici.

3) Laminazione: I modelli in rame spessi producono notevoli irregolarità durante la laminazione, richiedendo il riempimento con grandi quantità di resina preimpregnata. Ciò potrebbe causare problemi come bolle e flusso irregolare della resina, e richiede processi di riempimento e laminazione speciali.

4) Foratura: Gli spessi strati di rame causano una rapida usura della punta del trapano, con conseguente possibile aumento della rugosità delle pareti del foro. Sono necessari aggiustamenti ai parametri di foratura e una pulizia più accurata delle pareti del foro.

5) Galvanostegia: Garantire che uno strato di rame sufficientemente spesso venga depositato uniformemente sui fori passanti e sulle superfici, presenta ulteriori difficoltà.

5. Processi di produzione chiave

Per affrontare le sfide sopra descritte, i produttori devono considerare:

● Incisione a fasi: Incisione in più fasi, incidendo ogni volta una porzione della profondità per ridurre l'incisione laterale.

● Soluzioni di incisione speciali: Utilizzo di soluzioni con bassi tassi di incisione laterale, come il cloruro di rame acido.

● Presse ad alto tonnellaggio: Utilizzo di alta pressione per garantire che la resina riempia completamente gli spazi tra le linee.

● Laminazione multipla: per circuiti stampati in rame estremamente spessi o multistrato, è possibile utilizzare più fasi di laminazione.

● Ablazione laser: per la realizzazione di strutture in rame spesse e di altissima precisione, è possibile utilizzare la formatura laser diretta al posto della tradizionale incisione.

6. Come distinguere i "PCB ad alto contenuto di rame" dai "PCB con substrato di rame (substrati metallici)"

Si tratta di un equivoco comune:

● PCB con spessori elevati di rame: si riferisce a schede con una lamina di rame molto spessa sugli strati di traccia, mentre il substrato rimane costituito da un materiale isolante in resina come FR-4, CEM-3 o PI. La sua funzione principale è quella di aumentare la capacità di trasporto di corrente, mentre il vantaggio secondario è l'eccellente dissipazione del calore.

● PCB con substrati in rame: Si tratta di un tipo di substrato metallico, la cui struttura è la seguente: Tracce in lamina di rame dello strato superiore → Strato dielettrico isolante e termicamente conduttivo → Substrato metallico complessivo (solitamente alluminio o rame). Il suo scopo principale è la dissipazione del calore. Lo spessore del rame può essere quello standard da 1 oz o superiore. La caratteristica principale è un singolo pezzo di metallo che funge da dissipatore di calore.

In breve: un PCB in rame spesso significa che i conduttori stessi sono molto spessi, mentre un substrato di rame significa che c'è un unico pezzo di substrato metallico.

Riepilogo:

Nella scelta del tipo di PCB da utilizzare, gli ingegneri devono valutare in modo esaustivo i requisiti di corrente e di gestione termica, i vincoli di spazio, il budget di spesa e la densità di cablaggio, per poi decidere se un PCB in rame spesso sia l'opzione ideale e quale debba essere lo spessore dei fogli di rame. Per esigenze di elevata corrente e dissipazione del calore, a volte si può anche considerare una combinazione di un PCB in rame spesso con un substrato metallico.

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