Per controllare le correnti di azionamenti elettrici e alimentatori con un'elettronica intelligente, è necessario padroneggiare l'equilibrio tra potenza e microelettronica. Questo articolo descrive diverse varianti di una tecnologia PCB ad alta corrente unica e versatile, adatta a correnti fino a 1,000 A. Il cuore di questa tecnologia sono le barre di rame integrate che sporgono dalla superficie per entrare in contatto con i componenti SMD e altri componenti di potenza.
Per colmare il divario tra i conduttori ad alta corrente da un lato e i componenti elettronici dall'altro, sono solitamente necessari numerosi cavi, materiali di montaggio e interposer, soprattutto se si utilizzano componenti SMD. L'obiettivo è integrare le barre collettrici nei circuiti stampati per ridurre il volume di costruzione e i costi di assemblaggio dei sistemi e per combinare le correnti di azionamento e di alimentazione, nonché i controlli elettronici.
Esistono diverse tecnologie per circuiti stampati progettate per applicazioni di potenza. Tra queste, i multistrati con spessori di rame elevati fino a 400 micrometri, che possono essere livellati a strati più alti. Inoltre, sono disponibili diverse tecniche che si basano su un aumento selettivo della sezione trasversale del rame, come la tecnica a iceberg, la tecnica a filo deposto e l'inclusione parziale di laminati di rame spessi.
Tecnologia di azionamento: ottimizzazione del PCB ad alta corrente per i controlli motore
In questo articolo vengono confrontate tre tecnologie PCB per circuiti stampati ad alta corrente: Dickschicht, Iceberg e HSMtec. La topologia e la progettazione dei PCB influenzano la capacità di trasporto di corrente e la dissipazione del calore dei semiconduttori di potenza.
Sono disponibili tecnologie idonee per combinare il circuito di carico e il conduttore fine per i segnali logici su una scheda a circuito stampato FR4. Si risparmia spazio ed si evita la tecnologia di collegamento convenzionale con schede separate, aumentando l'affidabilità del controllo motore. Lo sviluppatore di PCB può ottimizzare la capacità di trasporto di corrente e la dissipazione del calore dei semiconduttori di potenza in base alle proprie esigenze.
Dal punto di vista del circuito stampato, le specifiche dell'elettronica di azionamento possono essere riassunte in cinque punti: 1) elevata densità di integrazione, 2) affidabilità dell'assemblaggio elettronico, 3) rapida dissipazione del calore, 4) correnti elevate combinate con l'elettronica di controllo e 5) costi di sistema ridotti, ad esempio passando a componenti SMD, meno componenti o processi di assemblaggio.
Una soluzione intelligente consiste nel combinare la sezione di potenza e l'elettronica di controllo, ovvero i circuiti di carico e la logica di controllo, anziché su due schede a circuito stampato su un'unica scheda. Tuttavia, ciò richiede sezioni di conduttore elevate e grandi distanze di isolamento per i conduttori ad alta corrente e, allo stesso tempo, strutture di conduttore sottili per il controllo su un'unica scheda. In questo modo si eliminano costosi connettori, cavi e barre collettrici, nonché fasi di assemblaggio e rischi che ne compromettono l'affidabilità. KSG, specialista in PCB, dispone di tre tecnologie per questo scopo: rame spesso, tecnologia iceberg e tecnologia HSMtec. Tutti e tre i processi utilizzano il materiale di base standard FR4.
Contatto sicuro con PCB ad alta corrente
Tutte queste tecnologie hanno qualcosa in comune: di solito non c'è una sezione trasversale sufficiente tra gli strati della scheda PCB ad alta corrente e le connessioni per i componenti a montaggio superficiale o per i collegamenti a vite. I fori di via formano un collo di bottiglia per le correnti di entità desiderata. Anche i connettori a pressione, le viti e i morsetti non garantiscono un contatto affidabile con gli strati. Solo la saldatura pulita delle connessioni crea un collegamento continuo dai componenti a tutti gli strati. In questo caso, tuttavia, maggiore è lo spessore totale del rame, maggiore è il rischio di penetrazione della saldatura.
Al contrario, indipendentemente dal design, la scheda ad alta corrente contatta i componenti e le connessioni con la massima sezione trasversale del conduttore (Figura 2 sotto). In questo modo, i componenti SM e THT possono essere combinati con semiconduttori di potenza bonded, contatti a pressione e connessioni a vite senza creare colli di bottiglia nel percorso della corrente. Allo stesso tempo, la barra collettrice funge da dissipatore di calore. I componenti sono a diretto contatto con questa massa termica e vengono quindi raffreddati in modo ottimale.
Progettazione, produzione e lavorazione di PCB ad alta corrente
A differenza delle barre collettrici convenzionali note in elettrotecnica, per il circuito stampato ad alta corrente vengono utilizzati componenti in rame sagomati individualmente. La forma e la posizione dei componenti in rame possono essere definite liberamente. Ciò offre al progettista del layout la libertà di disporre componenti e connessioni in modo tale da creare un modulo compatto con funzioni termiche ed elettriche ottimizzate.
Poiché ogni progetto ad alta corrente presenta caratteristiche specifiche, è difficile stabilire regole di progettazione generali. In base alle dimensioni e alla forma delle parti in rame e delle barre isolanti, è necessario verificare i limiti di progettazione per ciascun progetto. I valori indicativi forniscono un'indicazione approssimativa per la progettazione.
Per realizzare un circuito stampato ad alta corrente, si inizia con la produzione dei componenti in rame. A seconda delle dimensioni, della forma e del numero di componenti, questa operazione viene eseguita tramite incisione, fresatura o punzonatura. I componenti in rame vengono posizionati in telai pre-fresati e poi pressati con preimpregnati ed eventualmente altri strati.
Un vantaggio del PCB ad alta corrente è la sua lavorazione. Poiché le barre collettrici sono integrate, il circuito stampato ad alta corrente, a parte il suo peso, non è distinguibile esternamente dagli altri circuiti stampati. Può essere lavorato con processi SMD convenzionali se il profilo è impostato su una massa termica maggiore. L'esperienza dimostra che questi processi di saldatura possono essere gestiti bene. Il processo di riparazione di componenti a diretto contatto con il rail ad alta corrente, d'altra parte, è più complesso rispetto ai tradizionali assemblaggi piatti.
Varianti tecnologiche del PCB ad alta corrente
Il potenziale completo della scheda PCB ad alta corrente diventa chiaro quando si considerano le possibili varianti.
La tecnologia offre i massimi vantaggi se le parti in rame sono sagomate in modo tale da raggiungere la superficie e risultare a filo con le altre piazzole in alto e/o in basso (Fig. 1). In questo modo si ottiene un circuito stampato completamente piatto che può essere ulteriormente lavorato nel successivo processo di stampaggio e assemblaggio senza bisogno di regolazioni. Anche i capicorda, i moduli e i componenti avvitabili sono più facili da collegare alla posizione ad alta corrente.
In un'altra versione della tecnologia, lo strato ad alta corrente sporge lateralmente dal bordo del circuito stampato. Questi contatti possono essere utilizzati direttamente come spine o possono essere contattati come l'estremità di una barra di distribuzione convenzionale.
Le due varianti successive del circuito stampato PCB ad alta corrente sono più adatte al raffreddamento dei componenti che alle correnti elevate.
Se i componenti in rame presentano superfici di connessione SMD sia verso l'alto che verso il basso, funzionano come inserti per circuiti stampati convenzionali, che vengono pressati nelle aperture dei circuiti stampati per condurre il calore dei componenti di potenza dalla parte superiore a quella inferiore. I componenti in rame integrati (Fig. 9) differiscono dagli inserti convenzionali in quanto sono più affidabili in termini di produzione e lavorazione, poiché non vi è alcuna sollecitazione meccanica sul circuito stampato. Inoltre, le dimensioni e la posizione dei pad possono essere selezionate in modo indipendente l'una dall'altra. Anche la connessione elettrica è possibile senza ulteriori sforzi.
L'ultima variante della scheda PCB ad alta corrente è una versione monofacciale (Figure 10 e 11). In questo caso, delle piazzole di rame sporgenti sporgono attraverso l'isolamento di un sottile strato isolante, per poi essere collegate direttamente, come contatti del dissipatore SMD, alle corrispondenti connessioni dei componenti. A differenza dei substrati in alluminio realizzati in IMS, questa versione non presenta uno strato isolante, consentendo così la dissipazione di potenze significativamente più elevate. Tali soluzioni vengono utilizzate, tra l'altro, per LED ad alte prestazioni fino a 10 W.
Con il circuito stampato ad alta corrente, Tecnologia MOKO amplia la sua gamma di tecnologie nel campo della gestione termica con un altro componente importante:
Il rame solido è incorporato nel circuito stampato e può essere montato direttamente sui pad SMD che raggiungono la superficie.
Struttura di un circuito stampato SMD ad alta corrente
Il circuito stampato ad alta corrente può essere contattato anche con altre tecnologie di assemblaggio e connessione:
– Saldatura a riflusso/onda SMD / THT – Saldatura con filo di alluminio
– Viti: occhielli / fori filettati
– Fori ciechi dagli strati esterni
– Connettore ad alta corrente con tecnologia press-fit
In molti casi, lo sforzo supplementare per la produzione di PCB ad alta corrente può essere ridotto in parte mediante processi di produzione appositamente implementati e in parte mediante un controllo di processo ottimizzato dei processi standard.
I PCB in rame spesso distribuiscono le perdite di potenza orizzontalmente
La tecnologia del rame spesso è presente sul mercato da molti anni e viene prodotta in grandi quantità. L'industria dei PCB parla solitamente di rame spesso per strutture in rame ≥105 µm. I conduttori in rame spesso servono a una migliore distribuzione orizzontale del calore in caso di elevate perdite di potenza dai componenti di potenza e/o per il trasporto di correnti elevate e sostituiscono le strutture stampate e piegate per le barre collettrici nelle applicazioni PCB ad alta corrente. Con un massimo di quattro strati interni, ciascuno con 400 µm di rame, è possibile raggiungere una capacità di trasporto di corrente di diverse centinaia di ampere. Idealmente, i conduttori in rame spesso si trovano negli strati interni.
La flessibilità per le modifiche di layout, il design compatto, la semplicità di lavorazione/assemblaggio e i costi di modifica relativamente bassi, nonché i processi standard dell'industria dei PCB, sono a favore dei PCB in rame spesso. Sebbene le fasi di processo di un circuito stampato in rame spesso non differiscano significativamente dalla produttività standard di un circuito stampato convenzionale, la produzione richiede una specifica esperienza e gestione del processo. Un circuito stampato in rame spesso rimane nella linea di incisione da 10 a 15 volte più a lungo e presenta un profilo di incisione tipico. I processi di incisione e foratura del circuito stampato in rame spesso determinano le regole di progettazione per lo schema elettrico e devono essere rispettati. Il produttore di PCB dispone di un elenco di suggerimenti per la costruzione degli strati e le regole di progettazione ottimizzate in termini di costi e processo.
Importante da sapere: i laminati FR4 con un rivestimento di base in rame ≥105 µm sono più costosi a causa dell'elevato contenuto di rame. Rispetto a un laminato standard laminato su entrambi i lati con 18 µm, il rapporto costo-materiale è compreso tra 1:8 e 1:10. Lo sviluppatore di PCB deve prestare attenzione al massimo utilizzo del materiale. Un coordinamento tempestivo con il produttore di PCB contribuisce a ridurre significativamente i costi. Per quanto riguarda la miniaturizzazione, la tecnologia del rame spesso è limitata. A causa del forte sottosquadro, è possibile creare solo strutture relativamente grossolane. Un'altra limitazione: il cablaggio di segnale fine non è possibile allo stesso livello di cablaggio del conduttore in rame spesso.
Iceberg: per una topografia superficiale uniforme
A livello di cablaggio, sono presenti aree con rame da 70 a 100 µm per la logica e aree con rame fino a 400 µm per il carico. Il rame spesso è in gran parte inglobato nel circuito stampato. Questo crea una topografia superficiale uniforme lungo l'intero schema dei conduttori. Il principio dell'iceberg può anche essere combinato con rame spesso sugli strati interni.
L'inserimento di due terzi della superficie in rame di 400 µm di spessore nel materiale di base crea una superficie planare del circuito stampato. Vantaggio: i fianchi dei conduttori possono essere rivestiti in modo affidabile con una maschera di saldatura in un unico processo di fusione. Il successivo processo di assemblaggio è possibile su un unico livello. Le strutture a iceberg sono adatte anche come dissipatori di calore per componenti di potenza e possono essere combinate con fori passanti placcati (via) per ottimizzare la gestione termica.
HSMtec: elementi in rame negli strati interni ed esterni
Un altro modo per combinare carico e logica su un circuito stampato è HSMtec. In questo caso, elementi in rame massiccio vengono installati selettivamente negli strati interni e sotto gli strati esterni del multistrato FR4, nei punti in cui scorrono correnti elevate, e saldati a ultrasuoni al rame di base dei conduttori incisi. Dopo aver pressato gli strati, i profili in rame vengono posizionati sotto gli strati esterni e/o negli strati interni del multistrato. Il resto del circuito stampato rimane inalterato.
Il multistrato viene prodotto secondo il processo di produzione standard e ulteriormente lavorato con il consueto processo di assemblaggio e saldatura. Questa struttura consente di soddisfare le specifiche elettriche relative alla rigidità dielettrica e alle classi di isolamento delle macchine, nonché di resistere a condizioni di temperatura estreme con spazi di installazione limitati nei veicoli.
I profili in rame massiccio all'interno del multistrato consentono inoltre la realizzazione di strutture tridimensionali. La fresatura a tacca perpendicolare ai profili in rame consente di piegare i segmenti del circuito stampato fino a 90°. In questo modo, lo spazio di installazione viene sfruttato in modo intelligente e l'elevata corrente e il calore vengono trasportati attraverso il bordo di piegatura. La struttura è concepita come un circuito stampato bidimensionale, prodotto e assemblato nel pannello. Dopo l'assemblaggio o l'assemblaggio del modulo, il circuito stampato viene piegato nella forma tridimensionale.
Il software supporta gli sviluppatori nel dimensionamento di piste conduttrici ad alta corrente. Con pochi dati, come corrente e temperatura, il calcolatore fornisce la larghezza minima del filo per HSMtec e per rivestimenti in rame da 70 e 105 µm.
