PCB con anima in metallo (MCPCB)

I circuiti stampati con anima in metallo (MCPCB), noti anche come PCB IMS, sono diventati un'opzione sempre più popolare per le applicazioni di elettronica di potenza che richiedono un'efficiente dissipazione del calore.

A differenza dei tradizionali PCB FR4, gli MCPCB hanno uno strato metallico isolato, di solito alluminio, come strato centrale che fornisce una conduttività termica superiore. Ciò rende i circuiti stampati MCPCB ideali per applicazioni ad alta potenza, come ad esempio Illuminazione a LED, alimentatori e convertitori di potenza, dove una gestione efficiente del calore è fondamentale per garantire affidabilità e prestazioni a lungo termine.

In questo articolo verranno analizzati la costruzione, i tipi, le applicazioni e la produzione degli MCPCB, nonché il produttore di spicco, ELEPCB, quando si tratta di scegliere una soluzione MCPCB per la propria applicazione.

ELE PCB: Produttore di PCB MCPCB/IMS

A ELE PCB Ltd.Siamo orgogliosi di fornire un'eccezionale assistenza ai clienti durante l'intero processo di produzione dei PCB IMS. Il nostro team dedicato di esperti è disponibile ad assistervi con consulenze di progettazione, richieste tecniche e qualsiasi altra domanda o problema che possa sorgere durante il vostro progetto. Ci impegniamo a superare le vostre aspettative e a garantire un'esperienza senza problemi dall'inizio alla fine.

Capacità di produzione di ELE di MCPCB/IMS PCB

Dimensione massima del pannello	1500mm*560mm
Spessore del rame	0,5 oz, 1 oz, 2 oz, 3 oz
Spessore del nucleo del substrato	0,4 mm, 0,6 mm, 0,8 mm, 1,0 mm, 1,2 mm, 1,5 mm, 2,0 mm, 3,0 mm, 3,2 mm
Spessore del pannello finito	Da 0,4 mm a 5,0 mm
Spessore del foglio di rame	35um~240um (1OZ~7OZ)
Larghezza minima della linea/spazio	4mil/4mil (0,1mm/0,1mm)
Tolleranza di spessore	+/- 10%
Min. Dimensione del foro di finitura	0,2 mm
Tolleranza sulla posizione del foro	(+/-) 0,076 mm
Tensione massima di lavoro	2,5k VCC (dielettrico da 0,075 mm) 3,75k VCC (dielettrico da 0,15 mm)
Lavorazione dell'alluminio	Foratura, maschiatura, fresatura, fresatura, fresatura, punzonatura, linguetta a strappo disponibile
Tolleranza del profilo	Tolleranza del profilo di instradamento: +/-0,13 mm;
Tolleranza del profilo	Tolleranza del profilo di punzonatura: +/-0,1 mm
Finitura delle superfici	HASL, HASL senza piombo, oro per immersione (argento-stagno), OSP
Colore della maschera di saldatura	Bianco, luce LED speciale Bianco, nero, nero opaco, altri disponibili
Colore della legenda	Nero, bianco, altri disponibili
Test	E-test della sonda volante; E-test del dispositivo;
Rosh	SÌ
Certificazione	SGS; ISO9001; UL(E337137); ROHS; TS16949

Che cos'è un MCPCB?

Gli MCPCB hanno una conducibilità termica da 5 a 10 volte superiore a quella dei tradizionali PCB FR-4 a base di vetro epossidico e uno spessore da 5 a 10 volte inferiore a quello delle architetture tradizionali. Ciò consente ai PCB metallici di dissipare il calore in modo più efficiente. Grazie alla trasmissione molto efficace dell'energia termica, i circuiti stampati metallici possono utilizzare strati di rame molto sottili, il che contribuisce a ridurre sia i prezzi che lo spessore complessivo della soluzione.

Costruzione di MCPCB

I circuiti stampati in metallo sono composti da 3 strati: uno strato dielettrico in grado di fornire un'elevata conducibilità termica (e, di conseguenza, un'elevata dissipazione), uno strato di substrato metallico isolato e un film di rame che ha un'elevata capacità di dissipazione del calore e viene utilizzato per la litografia dei circuiti grazie alla sua resistenza meccanica.

L'alluminio e il rame sono i due materiali più utilizzati nel processo di produzione degli strati metallici; tuttavia, in alcune circostanze, può essere utilizzato anche l'acciaio inossidabile. Il rame ha prestazioni e qualità elettriche migliori dell'alluminio, ma il suo prezzo è notevolmente superiore a quello dell'alluminio. Lo strato metallico può essere costituito interamente da metallo o da metallo e fibra di vetro (FR-4).

In seguito, i circuiti stampati metallici possono essere monofacciali o bifacciali, ma la versione multistrato non è molto diffusa perché è più difficile da produrre.

Nel caso di un MCPCB multistrato, gli strati devono essere distribuiti uniformemente intorno allo strato metallico interno. Ad esempio, in un circuito stampato con 12 strati, lo strato metallico deve essere posizionato al centro dello stack-up, con 6 strati sopra e 6 livelli sotto.

3 tipi di MCPCB

I tipi di MCPCB sono suddivisi in PCB singoli e multistrato. I tipi sono illustrati di seguito.

PCB a singolo strato con anima in metallo

Un singolo strato sottile di materiale dielettrico termicamente conduttivo ma elettricamente isolante viene laminato con il rame per creare PCB a nucleo metallico a singolo strato. Si tratta di una base metallica in lega di alluminio o rame, uno strato dielettrico e uno strato conduttore in rame. Il rivestimento in rame può avere uno spessore compreso tra 1 e 20 once. Grazie all'elevata conducibilità termica del PCB monostrato, il calore creato può essere trasferito in modo rapido ed efficiente. L'MCPCB a singolo strato è adatto a progetti semplici e a bassa densità.

PCB con anima in metallo a doppia faccia

L'uso di PCB Metal Core a doppia faccia è molto diffuso nelle applicazioni high-tech. Sia i circuiti di produzione che i prototipi di circuiti utilizzano questi PCB. Su un tipico circuito stampato, uno strato metallico è posizionato sopra un substrato non conduttivo. Tuttavia, la parte inferiore del substrato presenta uno strato metallico aggiuntivo negli MPCB bifacciali.

PCB multistrato con anima in metallo

Gli MCPCB multistrato hanno una struttura simile a quella degli FR4 multistrato, ma sono molto più difficili da produrre. Hanno due o più strati conduttivi separati da un dielettrico termicamente conduttivo. Il substrato metallico si trova nella parte inferiore della struttura e i componenti SMT possono essere montati solo su un lato.

Materiale del circuito stampato con anima in metallo

L'alluminio, il rame e le leghe di acciaio sono tutti materiali possibili per l'anima metallica dei PCB termici. L'alluminio è il più utilizzato perché ha elevate qualità di dissipazione del calore ed è meno costoso del rame. Il rame, invece, è considerato più performante. I tre materiali utilizzati per creare questi circuiti sono i seguenti:

Base in alluminio

Il PCB in alluminio ha una forte capacità di trasferimento e dissipazione del calore. I circuiti stampati con nucleo in alluminio sono spesso utilizzati nei dispositivi LED perché sono anche leggeri. La sostanza di alluminio è economica.

Base in rame

Una scheda con anima in rame ha prestazioni migliori di una in alluminio. Sebbene il rame sia più costoso dell'alluminio, gli acquirenti di solito scelgono l'alluminio. Inoltre, il rame pesa più dell'alluminio e richiede una procedura di fresatura più difficile.

Base in lega d'acciaio

Rispetto agli altri due materiali sopra descritti, le leghe di acciaio sono più robuste ma hanno una minore conducibilità termica. Ogni materiale presenta vantaggi e svantaggi propri e la scelta del materiale si basa esclusivamente sull'applicazione.

Vantaggi di MCPCB (rispetto al PCB FR4 tradizionale)

I circuiti stampati con anima in metallo offrono un accoppiamento capacitivo superiore, una maggiore densità di potenza e una forte schermatura elettromagnetica, oltre a un'efficiente dissipazione termica.

Ecco i 6 principali vantaggi dell'MCPCB.

Dissipazione termica

Un'alternativa ai PCB con una maggiore conduttività termica è rappresentata dagli MCPCB. Questi circuiti evitano potenziali danni ai circuiti e sono in grado di gestire circuiti ad alta densità con livelli di potenza più elevati, mantenendo il calore il più lontano possibile dai componenti di potenza. Uno dei materiali più popolari per questo tipo di substrato è l'alluminio perché, oltre ad avere buone qualità elettriche, è anche economico e riciclabile. Rispetto ai PCB costruiti con FR-4, i PCB con anima in metallo trasferiscono il calore da 8 a 9 volte più velocemente. Per stabilire il percorso più breve dalla sorgente di calore alla piastra metallica di supporto, lo strato dielettrico deve essere estremamente sottile. In genere ha uno spessore compreso tra 0,003 e 0,006 pollici. Un test su un MCPCB con un LED integrato da 1W, ad esempio, ha rivelato che la sua temperatura è rimasta molto vicina alla temperatura ambiente di 25°C, mentre lo stesso LED di potenza installato su una scheda FR-4 ha raggiunto una temperatura di 12°C superiore a quella ambiente.

Maggiore forza e stabilità

Le preoccupazioni relative alla dissipazione del calore sono state evidenziate dalla recente e rapida crescita della tecnologia LED, in particolare con luci LED ad alta potenza. Il circuito può avere problemi di stabilità e affidabilità a causa di questi LED, che di solito sono posizionati direttamente sul PCB. La dissipazione del calore può compromettere il funzionamento dei componenti elettronici che utilizzano molta energia se non si utilizza una tecnica adeguata. Questo problema viene risolto con successo in queste applicazioni grazie all'uso di PCB metallici. L'alluminio aggiunge forza e resistenza al circuito stampato senza appesantirlo e garantisce un elevato livello di longevità.

Stabilità dimensionale

Al variare delle circostanze esterne, le dimensioni di un circuito stampato in metallo rimarranno più stabili rispetto a quelle di un circuito stampato realizzato con materiali più convenzionali, come l'FR4. I circuiti stampati contenenti strati metallici (come l'alluminio) hanno registrato una variazione relativamente lieve delle dimensioni, che vanno da 2,5% a 3,0%, quando vengono riscaldati tra 30°C e 150°C.

Peso ridotto e maggiore riciclabilità

I PCB con substrati metallici sono più conduttivi, più durevoli e più leggeri dei PCB tradizionali costruiti con materiali epossidici. Sono anche più vantaggiosi dal punto di vista ambientale perché i metalli utilizzati, come l'alluminio, sono atossici e semplici da riciclare.

Durata di vita più lunga

Rispetto a materiali come ceramica L'alluminio offre una resistenza e una longevità superiori a quelle della fibra di vetro, spesso utilizzate nella produzione di circuiti stampati. È un metallo molto resistente che può ridurre il pericolo di rotture involontarie che possono verificarsi durante le diverse fasi di produzione, durante l'assemblaggio o durante l'uso tipico del prodotto finito.

Costo-efficacia

Sebbene i PCB MCPCB/IMS possano avere costi iniziali più elevati rispetto ai PCB tradizionali, i loro benefici a lungo termine spesso superano l'investimento iniziale.6

Applicazioni di MCPCB

L'illuminazione a LED, il controllo dei motori nei veicoli elettrici e ibridi, l'alimentazione, i convertitori, i regolatori di tensione, sono solo alcuni degli usi principali degli MCPCB. In senso più ampio, questa tecnologia è adatta per l'uso in applicazioni che richiedono una quantità significativa di energia e, di conseguenza, producono una quantità significativa di calore. Se il circuito stampato necessita di un raffreddamento rapido, il tipico substrato FR-4 dovrebbe essere sostituito da un PCB metallico.

I circuiti stampati con anima in metallo (MCPCB) sono comunemente utilizzati in una serie di applicazioni elettroniche ad alta potenza, tra cui:

Illuminazione a LED ad alta potenza: Gli MCPCB sono utilizzati per migliorare l'efficienza e la durata dei sistemi di illuminazione a LED ad alta potenza. Le tecnologie a nucleo metallico offrono una migliore conducibilità termica, consentendo di dissipare efficacemente il calore dai chip LED, riducendo lo stress termico e aumentando l'affidabilità del sistema di illuminazione.
Alimentatori: Gli alimentatori ad alta potenza generano un calore significativo, che può influire sulle loro prestazioni e sulla loro longevità. Gli MCPCB forniscono una soluzione a questo problema dissipando efficacemente il calore dai componenti dell'alimentatore, migliorandone l'affidabilità e le prestazioni.
Convertitori di potenza: I convertitori di potenza, come i convertitori DC-DC, generano calore durante la conversione della tensione. Gli MCPCB forniscono una soluzione a questo problema dissipando efficacemente il calore dai componenti del convertitore, migliorandone l'affidabilità e le prestazioni.
Elettronica per autoveicoli: I gruppi propulsori dei veicoli elettrici e altri componenti elettronici del settore automobilistico generano un notevole calore, che può influire sulle loro prestazioni e sulla loro longevità. Gli MCPCB forniscono una soluzione a questo problema dissipando efficacemente il calore dai componenti, migliorandone l'affidabilità e le prestazioni.
Apparecchiature di telecomunicazione: Alta potenza radiofrequenza (RF) generano un notevole calore, che può influire sulle loro prestazioni e sulla loro longevità. Gli MCPCB forniscono una soluzione a questo problema dissipando efficacemente il calore dai componenti, migliorandone l'affidabilità e le prestazioni.
Elettronica industriale: L'elettronica industriale ad alta potenza, come gli azionamenti dei motori e i sistemi di controllo, genera un calore significativo, che può influire sulle prestazioni e sulla longevità. Gli MCPCB offrono una soluzione a questo problema dissipando efficacemente il calore dai componenti, migliorandone l'affidabilità e le prestazioni.

Altre applicazioni, come il controllo del movimento e le applicazioni con pannelli solari, sono eccellenti per incorporare gli MCPCB. L'uso principale degli MCPCB è nei prodotti elettrici ad alta temperatura o nelle applicazioni che richiedono la dissipazione del calore, come i LED, le luci elettriche ad alta potenza e così via, oltre alle apparecchiature di alimentazione, alle apparecchiature audio, alle automobili e ad altre applicazioni.