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La gestione termica del PCB nell’elettronica di potenza (parte 1)




IGBT, MOSFET, LED ad alta luminosità: sono solo alcuni dei componenti chiave dell’elettronica di potenza.


Durante il loro funzionamento, una parte dell’energia elettrica non viene trasferita al carico ma si disperde sotto forma di calore — il cosiddetto power loss.

Più energia si disperde, minore è l’efficienza del componente.E se il calore non viene adeguatamente dissipato, la temperatura cresce fino a compromettere la vita utile e l’affidabilità del sistema.

La gestione termica del PCB è quindi fondamentale per garantire performance e durata nel tempo


Cos’è la gestione termica del PCB?

È “l’insieme delle tecniche, materiali e soluzioni progettuali usate per controllare, distribuire e dissipare il calore generato dai componenti elettronici su un circuito stampato”.

La progettazione termica parte già dalle norme IPC della serie 2220, in particolare:

  • IPC 2221 – Generic Standard on Printed Board Design


    (linee guida generali su aspetti elettrici, meccanici e termici)

  • IPC 2222, 2223, 2226 – standard specifici per PCB rigidi, flessibili e HDI



Corrente e temperatura: il cuore del Thermal Management

Il passaggio di corrente in un conduttore genera calore.L’aumento di temperatura dipende dall’intensità di corrente e dalle dimensioni della traccia.


Lo standard IPC 2221 propone una formula sperimentale per stimare la current carrying capacity, ma con limiti legati al tipo di PCB testato (rame 1 Oz).

 

I = corrente che attraversa il conduttore;

“k” una costante che ha due diversi valori a seconda che il conduttore sia esterno o interno;

ΔT  = aumento di temperatura;

A = area o sezione del conduttore ( w x t )

Per questo è nato IPC 2152, che amplia i parametri di analisi includendo:

  • Spessore del rame di base

  • Posizione delle tracce (interne/esterne)

  • Influenza dell’ambiente


Risultato: 


tabelle più realistiche che correlano corrente, aumento di temperatura e sezione del conduttore.


Analisi termica e progettazione 

Le analisi termiche del PCB permettono di prevedere quando e dove si verificheranno i picchi di temperatura, consentendo di correggere il design prima della produzione.Un passaggio cruciale per evitare guasti e migliorare l’efficienza complessiva del sistema.



Soluzioni pratiche per il Thermal Management

1) IMS – Insulated Metal Substrates

Ampia diffusione in applicazioni LED e di potenza.Composti da uno strato metallico (alluminio o rame), un isolante sottile e uno strato di rame superiore.Conducibilità termica fino a 8 W/mK, contro gli appena 0,3 W/mK dell’FR4.Il percorso di dissipazione (heat path) è molto breve: il metallo agisce come primo dissipatore naturale.



2) Thermal Vias

Microfori metallizzati (0,2–0,5 mm) posizionati vicino ai componenti caldi.

La loro funzione non è elettrica, ma termica: 

trasferire il calore verso altri layer del PCB

  • Se aperti, non devono stare sotto i componenti per evitare fenomeni di solder wicking





PCB con thermal vias aperti


Il componente



heat conduction path



  • Se plugged and capped, vengono riempiti e coperti in rame, riducendo il percorso termico e migliorando la dissipazione



PCB con thermal vias plugged and capped


heat conduction path



Conclusioni

Una corretta gestione termica è la chiave per aumentare efficienza, affidabilità e durata dei dispositivi di potenza.Oltre a IMS e thermal vias, oggi si adottano anche:

  • Metal core PCB

  • Materiali FR4 ad alta conducibilità termica

  • Heavy copper (2–3 Oz o più)

  • Embedded coin (rame o alluminio)

  • Dissipatori dedicati


In un mondo in cui la miniaturizzazione e la densità di potenza aumentano, 

La gestione termica intelligente del PCB non è più un optional, ma una scelta progettuale strategica


TECNOMETAL srl Staff tecnico


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