PCB con base metallica isolata: schede termiche per sistemi ad alta potenza e alta affidabilità

I PCB con base metallica isolata, chiamati anche PCB IMS o PCB con nucleo metallico, sono progettati per applicazioni elettroniche in cui la densità termica è il principale limite di progettazione. Invece di un nucleo in fibra di vetro, le schede IMS utilizzano un base in metallo (alluminio o rame) legato ad un dielettrico termicamente conduttivo, con circuiti in rame sulla parte superiore. Il nucleo metallico funge da dissipatore di calore interno, allontanando il calore dai componenti caldi e distribuendolo in modo efficiente nello chassis o nel dissipatore di calore.

Per i prodotti che devono funzionare fresco, compatto e stabile per una lunga durata, l'IMS è spesso l'aggiornamento più diretto rispetto allo standard FR-4.

1) IMS vs. FR-4 (perché le schede di base in metallo sono importanti)

2) Settori in cui operiamo con i PCB IMS

Settori diversi richiedono priorità termiche e di affidabilità diverse. Le schede IMS sono ampiamente utilizzate nei vostri mercati principali:

Aerospaziale e aviazione

• Utilizzato in moduli di potenza ad alta affidabilità, elettronica di controllo e sistemi di sensori robusti.
• Priorità: stabilità termica, resistenza alle vibrazioni, affidabilità a lungo termine, percorsi termici coerenti.

Semiconduttori e packaging avanzato

• Schede di supporto, moduli di prova, stadi di potenza vicino a matrici calde e apparecchiature termosensibili.
• Priorità: controllo rigoroso della resistenza termica, planarità per l'assemblaggio, prestazioni di isolamento stabili.

Elettronica medica

• Dispositivi compatti con intervalli di temperatura rigorosi, come moduli di imaging, apparecchiature terapeutiche e dispositivi diagnostici portatili.
• Priorità: bassa temperatura del punto caldo, integrità dell'isolamento di sicurezza, prestazioni stabili durante i cicli di lavoro.

Intelligenza artificiale / Calcolo ad alte prestazioni

• Sistemi di accelerazione ad alta densità di potenza, rack di elaborazione e moduli edge-AI in cui il calore limita la produttività.
• Priorità: gestione dell'elevato flusso di calore, capacità di corrente, cicli termici affidabili.

Elettronica per autoveicoli

• BMS, driver motore, stadi di potenza ECU, illuminazione e componenti di potenza ADAS.
• Priorità: resistenza al ciclo termico, stabilità agli urti/vibrazioni, resa costante della produzione di massa.

Controllo e automazione industriale

• Servoazionamenti, sistemi di saldatura, resistori di frenatura, controllo inverter e quadri elettrici per ambienti difficili.
• Priorità: affidabilità di funzionamento continuo, diffusione del calore in involucri sigillati, base meccanica robusta.

Comunicazioni e reti

• Stadi di potenza RF, moduli di stazioni base, alimentazioni CC ad alta corrente e unità di potenza per telecomunicazioni ad alta densità.
• Priorità: comportamento termico stabile sotto carico sostenuto, percorsi termici compatti, adattamento dell'assemblaggio prevedibile.

3) IMS Stack-Up (struttura semplice, grandi guadagni termici)

Un PCB IMS in genere comprende tre strati funzionali:

1. Strato di circuito in rame
   Trasporta corrente e diffonde il calore lateralmente. Il rame più pesante migliora la capacità di corrente e la distribuzione termica.
2. Strato dielettrico termico (isolante)
   Isola elettricamente il rame dal metallo trasferendo il calore verso il basso. conduttività termica e spessore dominare la resistenza termica.
3. Strato di base in metallo
   Garantisce rigidità e rapida diffusione del calore nel telaio/dissipatore. L'alluminio bilancia costi e prestazioni; il rame supporta flussi di calore estremi.

4) Scelta del materiale del nucleo (come selezionarlo)

Nucleo in alluminio

• Ideale per la maggior parte dei progetti ad alta potenza, tra cui sistemi LED e schede di alimentazione per uso automobilistico/industriale.
• Leggero, conveniente, con un'eccellente diffusione termica per le esigenze più diffuse.

Nucleo di rame

• Scelto per apparecchiature di livello aerospaziale, AI/HPC e semiconduttori dove il margine termico è molto stretto.
• Maggiore conduttività termica e rigidità, in genere costi più elevati.

Suggerimento per la selezione:
Inizia da dissipazione di potenza + temperatura di giunzione consentita + approccio di montaggio. Il materiale del nucleo deve seguire l'obiettivo termico.

5) Cosa conta di più nella produzione IMS (focus di livello industriale)

Una buona scheda IMS non è solo "metallo + isolamento". L'affidabilità in tutti i settori industriali dipende dal controllo costante di:

• Stabilità dielettrica termica
  Incollaggio uniforme e spessore uniforme per un flusso di calore prevedibile.
• Adesione rame-dielettrico
  Previene la delaminazione durante i cicli termici (fondamentale per i settori automobilistico, dell'intelligenza artificiale, industriale e aerospaziale).
• Ingegneria del rame a corrente e calore
  Distribuzione in rame progettata per trasportare carichi e distribuire il calore senza colli di bottiglia.
• Lavorazioni meccaniche di precisione
  Fresatura, svasature, fessure e fori di montaggio puliti per un perfetto adattamento tra chassis e dissipatore.
• Finitura superficiale compatibile con l'assemblaggio
  Scelti per soddisfare le vostre aspettative in termini di processo di saldatura e affidabilità.
• Validazione dell'affidabilità termica
  Schermatura contro shock/cicli termici, deriva della saldabilità e perdita di integrità dell'isolamento.

6) Suggerimenti Thermal-DFM che migliorano le prestazioni e la resa

1. La scelta del dielettrico determina la reale resistenza termica
   Se i punti caldi limitano la durata, la soluzione più rapida è quella di regolare il grado e lo spessore del dielettrico.
2. Il peso del rame è una leva termica + elettrica
   Utilizzare rame più pesante sotto i dispositivi di alimentazione e i percorsi ad alta corrente; evitare di sovradimensionare l'intera scheda.
3. Il calore deve uscire dalla tavola in modo pulito
   Definire in anticipo la planarità, la coppia delle viti, il tipo di pad termico e i punti di contatto del telaio.
4. Evitare stretti colli di bottiglia termici
   Assicurare la continuità del rame sotto i componenti caldi; piccole piazzole e tracce sottili intrappolano il calore.
5. Bloccare in anticipo le caratteristiche meccaniche
   Ritagli, svasature e profili speciali influiscono sul percorso e sui costi di lavorazione.

7) Principali fattori di costo (ciò che fa cambiare rapidamente il prezzo)

• Selezione del nucleo in alluminio rispetto a quello in rame
• Scelta del grado dielettrico termico
• Peso del rame e qualsiasi zona di rame pesante
• Complessità del contorno e lavorazioni speciali
• Tipo di finitura superficiale
• IMS a strato singolo/doppio vs IMS multistrato

Una revisione DFM mirata spesso riduce i costi senza sacrificare gli obiettivi termici.

8) Lista di controllo per la richiesta di preventivo (inviala per un preventivo rapido e preciso)

Pronti a proteggere il vostro sistema dal calore?

Le schede IMS sono una soluzione comprovata per aumentare la densità di potenza mantenendo i dispositivi freschi, compatti e stabili anche per lunghi cicli di lavoro. Se la tua applicazione riguarda il settore aerospaziale, l'informatica AI, l'alimentazione automobilistica, le apparecchiature a semiconduttore, l'elettronica medicale, gli azionamenti industriali o l'hardware per le comunicazioni, inviaci il tuo Gerber + obiettivi termici (dissipazione di potenza e intervallo di temperatura consentito). Ti forniremo una rapida analisi DFM termica e un preventivo pratico basato sui tuoi reali obiettivi di gestione del calore.