Gestione termica del PCB: rame, via termiche e schede in alluminio
Dove va a finire il calore, cosa si può fare nel layout e quando è il momento di passare dall’FR4 a una scheda in alluminio.
Il calore lascia la scheda in tre modi
Un componente dissipa potenza sotto forma di calore. Sulla scheda quel calore si propaga attraverso il rame e il laminato, si diffonde lateralmente e esce per convezione e irraggiamento dalle superfici, oppure attraverso un dissipatore o l’involucro. È il layout a decidere con quanta facilità il calore può diffondersi, quindi la progettazione termica inizia sul PCB, ben prima della scelta di un dissipatore.
Usi il rame dove c’è il calore
Il rame conduce il calore circa mille volte meglio dell’FR4. Ne derivano tre leve:
- Area di rame. Colleghi il pad termico di un componente di potenza a una grande area di rame, non a una pista sottile. Un’area maggiore significa un aumento di temperatura minore.
- Spessore del rame. 35 µm è la scelta abituale; 70 µm porta più corrente e diffonde meglio il calore sulla stessa area. Produciamo 18, 35, 50 e 70 µm (veda la guida allo spessore del rame).
- Piani interni. Nelle schede multistrato gli strati interni di rame fungono da diffusori di calore quando le via termiche vi si collegano.
Tenga presente il compromesso: uno strato di rame spesso richiede distanze maggiori, e una grande piazzola collegata a un piano può saldarsi male se non è alleggerita con razze termiche dove la saldatura manuale o a rifusione lo richiede.
Via termiche
Le via sotto un pad termico trasferiscono il calore dallo strato superiore a un piano o al lato opposto. Come punto di partenza tipico:
| Parametro | Valore tipico |
|---|---|
| Diametro di foratura | 0,3 mm |
| Passo | circa 1,0–1,2 mm |
| Disposizione | griglia sotto il pad termico |
| Collegamento | a un piano di rame o a una grande area sull’altro lato |
Le via aperte sotto un pad possono sottrarre saldatura al giunto durante l’assemblaggio. Verifichi con il Suo assemblatore se preferisce via in numero ridotto, sfalsate o coperte da solder mask. I nostri limiti per i fori sono nella guida a via e diametri dei fori.
Spessore della scheda e materiale
Le schede più sottili hanno un percorso verticale più corto, ma il calore deve comunque diffondersi lateralmente attraverso il rame. L’FR4 standard ha una bassa conducibilità termica, quindi è il rame a fare la maggior parte del lavoro. Per gli spessori standard veda spessore del PCB.
Quando scegliere una scheda in alluminio
Se un componente dissipa più calore di quanto area di rame e via possano gestire, come nel caso di LED o stadi di potenza, una scheda in alluminio (IMS, insulated metal substrate) conduce il calore nella base metallica e da lì a un dissipatore o a un involucro. Ha uno strato di rame e un sottile dielettrico tra rame e alluminio. Legga FR4 o alluminio per il confronto e schede in alluminio per LED per le regole di progetto.
Regole di layout utili
- Collochi i componenti di alta potenza lontano da quelli sensibili al calore.
- Tenga i componenti che generano calore lontani dai bordi della scheda dove questa è fissata, a meno che il bordo non sia il percorso termico voluto.
- Non collochi tutti i componenti caldi in un angolo; li distribuisca.
- Usi piste larghe e piani per la potenza; portano sia corrente sia calore (veda larghezza delle piste e corrente).
- Verifichi il risultato su un prototipo con una termocamera o una termocoppia, non solo con il calcolo.
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Domande frequenti
Quante via termiche servono sotto un componente?
Non c’è un numero fisso; dipende dalla potenza e dall’area di rame a cui sono collegate. Una griglia con foratura da 0,3 mm e passo di circa 1,0–1,2 mm è un punto di partenza comune. Confermi il risultato misurando un prototipo.
Quando una scheda in alluminio è meglio dell'FR4?
Quando il calore non può essere diffuso dal solo rame e dalle via, ad esempio con LED o componenti di potenza. Una scheda in alluminio conduce il calore nella base metallica, ma ha un solo strato di rame.
Un rame più spesso aiuta con il calore?
Sì. Un rame più spesso diffonde meglio il calore e porta più corrente, ma richiede distanze maggiori tra le piste. Offriamo 18, 35, 50 e 70 µm.
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