7-Strategie di Thermal Management per un PCB in FR4
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Negli apparati elettronici l’accumulo di calore rappresenta una sfida critica nella fase di design del PCB.
Ad esempio, la miniaturizzazione e l’aumento della densità di integrazione nei MOSFET, e negli IGBT, hanno portato questi componenti a raggiungere elevate densità di potenza in spazi sempre più ridotti. La concomitanza tra aumento della potenza e la riduzione delle dimensioni porta alla formazione dei cosiddetti hot spot, ovvero aree localizzate in cui durante il funzionamento del componente, la temperatura può aumentare rapidamente fino a superare i limiti previsti dal data sheet. Ne possono quindi derivare problemi di affidabilità e riduzione della vita utile. Questa è una delle ragioni per cui nella fase di design del PCB è necessario implementare strategie finalizzate ad allontanare quanto più possibile il calore dissipato dai componenti.
Fra le svariate soluzioni a disposizione dei progettisti di PCB citiamo:
Design di piste con dimensioni e spessori di rame finalizzati a limitare il riscaldamento secondo IPC2152 o con l’ausilio di software di simulazione termica;
utilizzo di substrati IMS,Insulated Metal Substrate con Copper o Aluminium, in alternativa all’FR4;
thermal vias;
tecnologia Heavy Copper.
Altre strategie prevedono sistemi di “raffreddamento” esterni da “integrare” al PCB come:
dissipatori,
sistemi di raffreddamento ad aria o liquido,
ventole o sistemi di raffreddamento forzato.
Schema della catena di raffreddamento di un dispositivo elettronico che utilizza un PCB con IMS, accoppiato ad un dissipatore in Alluminio con interposto TIM
FOTO TRATTA DA: https://eepower.com
In questo post descriviamo “alcune” delle strategie di Thermal Management che si possono implementare nella progettazione di un PCB che sarà realizzato utilizzando materiale di tipo FR4:
Thermal vias;
Numbers of layers;
Copper foil thickness;
Heavy copper PCB.
Prima di descrivere queste strategie è opportuno spiegare il significato di due parametri fondamentali quando si parla di trasferimento di calore:
conducibiltà termica;
resistenza termica
La conducibilità termica del materiale FR4
La conducibilità termica, solitamente indicata con λ , misura l'attitudine di un materiale a trasmettere (per conduzione) il calore (energia termica).
L’unità di misura è Watt su metro per grado Kelvin.
Tabella 1: conducibilità termica di alcuni metalli Vs FR4
Fonte: www.fareelettronica.it
Come indicato in Tabella 1 la conducibilità termica dell’FR4 è circa 0,30 W/m·K, valore che è circa 1000 volte inferiore rispetto a quello del rame.
Questo confronto lascia facilmente intuire che
il materiale FR4 NON è un buon conduttore di calore.
Vediamo il perché.
Il materiale FR4 è un materiale composito costituito da:
Una resina termoindurente di tipo epossidico che garantisce la funzione di isolante elettrico;
Un tessuto realizzato con fibre di vetro di tipo E-Glass che garantisce la struttura e la resistenza meccanica
La struttura stratificata e i due materiali che la compongono, fibra di vetro e resina epossidica, determinano la conducibilità termica del laminato FR4.
Va aggiunto che la conducibilità termica “varia” in base alla direzione lungo la quale si misura il flusso di calore.
Per questa ragione è definita una grandezza “anisotropa”.
Infatti nel dettaglio abbiamo:
La conducibilità termica sul piano (In plane conduction ) cioè lungo gli assi X o Y del PCB. Questo parametro determina il flusso di calore lungo la trama o l’ordito del tessuto di vetro. Ha un valore indicativo di 0,50 – 1,0W/m·K (valore che può incrementare in funzione delle aree di rame)
La conducibilità termica sull’asse Z del PCB (Through plane conduction). Determina il flusso del calore attraverso lo spessore del PCB stesso. Questo significa che il calore deve attraversare una alternanza tra fibra di vetro e resina epossidica. Ha un valore indicativo di 0,30 W/m·K La resina è il vero collo di bottiglia in quanto ha una bassa conducibilità termica con un valore indicativo di ≈ 0,15 W/m·K
La Resistenza termica dell’FR4
La definizione:
La Resistenza termica (Rth) indica la capacità di un corpo (*) di opporsi al passaggio del calore.
(*) corpo = una struttura con una determinata geometria avente un certo spessore ed una certa area, realizzata con un materiale avente una propria conducibilità termica. Nel nostro caso il corpo è il PCB.
Per conoscere la Resistenza Termica dell’FR4 la formula da utilizzare è la seguente:
dove:
=spessore del corpo (spessore PCB) in metri
λ= conducibilità termica del materiale (ad esempio FR4) in W/m·K
A= area della superficie attraversata dal flusso di calore in metri2
Fonte : https://www.farelettronica.it
La formula (1) indica “da quali parametri” dipende la resistenza termica di un “corpo”.
Da tale formula risulta evidente che Rth aumenta se:
la conducibilità termica λ è bassa,
l’area della superficie attraversata dal flusso di calore diminuisce
Per quanto riguarda l’influenza dello spessore del PCB sulla Rth, dalla formula si deduce che se aumenta (cioè se aumenta lo spessore del PCB), anche Rth aumenta.
In realtà non è sempre cosi! Vediamo perché.
La formula (1) descrive teoricamente da quali parametri è influenzata la resistenza termica di un corpo (in questo caso il PCB) quando la conduzione avviene prevalentemente nel senso verticale.
Nella realtà il percorso seguito dal calore può variare in base a vari parametri tra cui:
struttura del PCB
presenza di Thermal vias
numero di layers.
Vediamo un paio di casi
Caso A: PCB con 1 solo layer con un componente montato sul lato top, e aria sotto al PCB.
Risultati sperimentali indicano che la Rth tende a diminuire all’aumentare dello spessore del PCB. Nota (1)
In questo caso, il comportamento riscontrato è il contrario di quello che ci si aspetterebbe in base alla formula (1)
In queste condizioni sotto al PCB c’è aria. L’aria è un cattivo conduttore termico, e non dissipa efficacemente il calore verso il basso. Di conseguenza il calore tende a propagarsi orizzontalmente (lateralmente) nel PCB. In questo caso domina la In plane conduction.
Caso B: PCB 2 layer con Thermal Vias e rame su lato inferiore.
Risultati sperimentali indicano che la Rth aumenta con l’aumentare dello spessore. (Nota 1)
Questo avviene perché i thermal vias creano una connessione termica tra lato Top e lato Bottom e quindi la conduzione verticale diventa più efficace. In questo caso domina la Through plane conduction.
È chiaro anche il fatto che al diminuire dello spessore del PCB diminuisce la lunghezza del via e quindi anche la sua resistenza termica diminuisce e il calore raggiunge più facilmente il lato bottom.
La resistenza termica di un componente elettronico
Per conoscere la Resistenza termica di un determinato componente elettronico dobbiamo ricorrere alla formula seguente:
Anche nella formula (2) la resistenza termica Rth rappresenta l’opposizione al trasferimento del calore ma in questo caso indica di quanto aumenta la temperatura di un componente, per ogni watt di potenza dissipata.
L’unità di misura è °K / W
Conoscendo il valore di Rth di un componente, la formula (2) consente di calcolarne l’aumento di temperatura quando il componente dissipa una certa potenza.
Alcune strategie di PCB design per superare i limiti di conducibilità termica dell’FR4
Thermal Vias
Questa strategia agisce sul cosiddetto “vertical thermal path”
Diversamente dai fori di via che servono a creare l’interconnessione elettrica tra i layer del PCB, i thermal vias hanno la funzione di stabilire la connessione termica tra il lato su cui è montato il componente, e i lati interni o il lato opposto del PCB. Creano un percorso a bassa resistenza termica che favorisce il trasferimento del calore compensando la bassa conducibilità termica del materiale FR4.
Tramite la formula (1) possiamo calcolare la resistenza termica di un corpo che in questo caso è un foro. Come ci si aspetta dalla formula (1), se diminuisce lo spessore del PCB diminuisce anche la Rth del thermal vias.
Spess PCB mm | Rth foro diam 0,25 mm spess Cu 25 mic, °K/W | Rth foro diam 0,25 mm Copper filled |
1,6 | ∼ 193 | ∼ 85 |
1,0 | ∼ 120 | ∼ 53 |
0,5 | ∼ 60 | ∼ 27 |
Tabella 2: Variazione Rth, fori non filled e copper filled, in funzione dello spessore del PCB
Nel caso di “thermal vias copper filled” Rth diminuisce ulteriormente come indicato nella tabella 2.
Analogamente anche l’aumento del diametro del foro comporta una riduzione della resistenza termica del vias come riassunto nella tabellina che segue:
diametro foro | Rth foro spess Cu 25 mic, spessore PCB 1,6 mm °K/W |
0,25 mm | ∼ 193 |
0,30 mm | ∼ 163 |
0,35 mm | ∼ 142 |
Anche il numero dei thermal vias è fondamentale. La resistenza termica di un array di thermal vias è calcolabile dividendo la Resistenza termica calcolata per 1 foro, per il Numero dei fori, secondo la formula:
Quindi nel caso del foro da 0,250 mm con 25 micron di Rame in un PCB spessore 1,6 mm la resistenza termica è indicata nella tabella seguente:
1Vias | Array x 10 Vias | |
Rth °K/W | 193 | 19,3 |
Per ridurre il cosiddetto “heatpath” i thermal vias devono essere il più vicino possibile al componente. Nel caso in cui vengano posizionati sotto al componente è opportuno considerare che durante il processo di saldatura si può verificare il “solder wicking”, fenomeno per cui la lega saldante viene risucchiata all’interno dei fori di via metallizzati pregiudicando il giunto si saldatura.
Le possibili soluzioni nei confronti del solder wicking sono riassunte in Tabella 3:
soluzione | svantaggi | costo | note |
Tenting con solder mask | Rischio che la tendinatura si apra soprattutto all’aumentare del diametro. Se chiusi da un solo lato creano possibilità di intrappolare residui. Se chiusi da entrambi i lati possono aprirsi. | $ | |
Riduzione diametro thermal vias | Diametri troppo piccoli aumentano la Rth | $ | Verificare con PCB supplier capability dell’Aspect Ratio |
Filled with thermoconductive epoxy resin and capped | Processo costoso. Processo più complesso | $$ | Permettono saldatura di componenti tramite via in pad; |
Filled (with Copper) and capped | Molto costoso | $$$ | È la tecnologia più avanzata Permettono saldatura di componenti tramite via in pad; offrono la minima Rth |
Tabella 3 : Soluzioni per evitare solder wicking
Numbers of layer
In tutti i PCB layouts la resistenza termica diminuisce proporzionalmente rispetto al numero dei layers. Il principio che spiega tale affermazione è descritto nell’immagine seguente:
Foto tratta da : ON Semiconductor, principle of thermal spread
La riduzione della Rth è da cercare nell’incremento dell’area del copper foil prevista per il trasporto del calore;
Inoltre, aumentando il numero di layers , a parità di spessore del PCB, si riduce la distanza tra la fonte di calore (il componente) e il copper foil dello strato interno più vicino.
In un PCB multistrato Rth può essere significativamente diminuita prevedendo una vasta area di rame sullo stesso layer dove si trova il componente o sul layer subito adiacente.
Nel caso in cui il piano di dissipazione sia posto SOLO su un determinato layer, Rth aumenta a mano a mano che tale layer si allontana dal layer su cui si trova il componente.
Il grafico seguente mostra questo comportamento:
Fonte: https://fscdn.rohm.com
Copper foil thickness
L’influenza dello spessore del copper foil è facilmente intuibile: all’aumentare dello spessore del copper foil, la Rth diminuisce. Questo effetto risulta ancora più evidente se aumenta anche la superficie del copper foil.
Come si può intuire osservando il grafico, il miglioramento sostanziale in termini di riduzione di Rth si ottiene passando da copper foil da 17 a 35 e successivamente a 70 micron.
L’ulteriore incremento dello spessore del copper foil a 105 micron offre comunque una riduzione di Rth ma meno significativa e con un costo che è all’incirca equivalente a quello dell’aggiunta di 2 layers. Da notare inoltre che l’aggiunta di 2 layers, offre generalmente una riduzione di Rth ben più efficace rispetto all’aumento dello spessore del copper foil oltre certi valori.
In generale:
incrementare lo spessore del copper foil abbassa la resistenza termica ma solo sino ad un certo punto: il miglioramento si riduce sempre di più sino a non compensare i maggiori costi e le difficoltà produttive che ne derivano. Anche con un copper foil molto spesso il collo di bottiglia termico rimane il materiale FR4 caratterizzato da una conducibiltà termica relativamente bassa.
Ma allora i PCB con spessori di rame da 8,10,12 Oz/Ft2 quali vantaggi offrono?
PCB Heavy Copper
I PCB heavy copper sono PCB realizzati con spessori di copper foil elevati. Volendo definire dei valori possiamo far riferimento ad un range indicativo da 4 a 12 Once per piede quadrato: cioè da 140 fino a circa 420 micron.Di seguito un estratto di data sheet relativo a copper foil con elevati spessori.
I vantaggi
Alcuni dei vantaggi offerti dai PCB heavy Copper
incremento della current carrying capacity; piste con una bassissima resistenza elettrica;
ottime prestazioni quando è fondamentale un’efficiente dissipazione del calore;
il rame stesso, visto il suo elevato spessore consente di utilizzare il PCB come elemento dissipante;
consentono di ridurre il numero dei layer
Le applicazioni
In generale sono le applicazioni di potenza fra cui citiamo:
alimentatori e convertitori;
inverter solari; regolatori di turbine eoliche
automotive: sistemi di gestione delle batterie EV/EHV
trasformatori planari ad elevata potenza
Le “principali” criticità del processo
Laminazione. La capacità di riempimento della resina del pre-preg è messa a dura prova da elevati spessori di rame e quindi dagli elevati spazi da riempire. Occorre identificare lo style più adatto e la giusta quantità di fogli di pre-preg per avere il necessario volume di resina.
Allineamento fra Innerlayer. L’elevato spessore di rame talvolta è abbinato a bassi spessori di dielettrico determinando una generale fragilità degli innerlayer;
Over etching. Sul lato superiore del pannello possono verificarsi fenomeni di ristagno o ridotto ricambio dell’incisore. Questo determina una riduzione considerevole della forza di incisione. Il lato inferiore non è soggetto a ristagno e quindi l’incisore lavora senza rallentamenti. La riduzione della forza di incisione sul lato Top viene compensata con una riduzione della velocità di attraversamento e questo determina una eccessiva incisione (over-etching) del lato Bottom. All’aumentare dello spessore del rame da incidere questo fenomeno peggiora. Nelle linee più moderne, Ia tecnologia vacuum etching unita a sistemi di controllo automatico di temperatura e concentrazioni, è sicuramente di aiuto.
Etch factor / compensazione del pattern. A seguito del processo di incisione le dimensioni di piste o piazzole diminuiscono a causa dell’azione laterale da parte dell’incisore. Per lati interni incisi con Cloruro Rameico ogni oncia di spessore di rame inciso può determinare ‘l’incisione laterale” di circa 9 micron per ciascuna spalla della pista. Per lati esterni incisi con Idrossido di Ammonio ogni oncia di spessore di rame inciso può determinare ‘l’incisione laterale” di circa 25 micron per ciascuna spalla della pista.
Le foto seguenti mostrano la vista in sezione della pista all’inizio ed alla fine del processo di incisione e l’effetto trapezoidale.
Fonte: www.protoexpress.com
La fabbricazione dei PCB heavy copper: partire con rame di base elevato oppure partire con copper foil di spessori normali?
Descriviamo sinteticamente i tre processi disponibili:
processo | Descrizione | Vantaggi Costo | svantaggi |
Etch down | È il processo classico utilizzato per produrre PCB. Si parte col copper foil richiesto (di elevato spessore) dai documenti di fabbricazione e si deposita lo spessore di rame elettrolitico previsto. Si procede quindi all’incisione del rame di base per ottenere il pattern richiesto | Processo standard; Tempi di copper plating ridotti rispetto a plate up: Costo realtivamente limitato | Difficoltà a forare elevati spessori di Rame; Non riesce a definire componenti SMT con isolamenti stretti; La forma trapezoidale delle piste ne riduce la reale sezione reale creando potenziali problemi al trasporto di corrente e di calore |
Plate up | si parte con copper foil di basso spessore rispetto al copper weight finale richiesto. Quindi si procede con ripetuti cicli di rame elettrolitico sino al raggiungimento del target finale richiesto. | Il basso spessore di rame di base da cui si parte consente di ottenere piste e isolamenti ridotti; costoso | Tempi di copper plating molto lunghi; Considerevoli variazioni nello spessore finale del rame Effetto trapezio fortemente ridotto, le pareti laterali delle piste risultano quasi verticali. |
Hybrid | Ideale per PCB con una parte digitale e una parte di potenza. La parte di potenza o heavy copper è sviluppata sui lati interni. La parte digitale o di segnale è sviluppata sui lati esterni realizzati con copper foil standard. | Si possono riprodurre componenti con pitch ridotti | Spostare tutta la parte di potenza può significare aumentare il numero di fogli di pre-preg necessari a riempire il rame dei lati interni e questo corrisponde ad aumentare lo spessore finale del PCB |
Note full cross section of the trace which is plated-up instead of etched.
Conclusioni
Al termine di questa panoramica sulle più diffuse strategie per il miglioramento della prestazione termica del PCB non ci rimane che ribadire il concetto di partenza. Un approccio corretto al Thermal Management premette di ridurre le temperature operative, aumentare l’affidabilità del sistema e migliorare la durata dei componenti.
Note:
fonte dati: Rohm Semiconductor ; PCB Layout Thermal Design Guide
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