Un nuovo standard per i Pcb a base metallica

PCB

I circuiti stampati dalle prestazioni termiche superiori, o substrati metallici isolati o Ims (Insulated metal substrate), si stanno diffondendo in alcuni settori applicativi come l’illuminotecnica avanzata e il controllo motori ad alta potenza. In questo tipo di applicazioni le forme e le dimensioni dei circuiti elettronici di controllo sono spesso vincolati, ad esempio, dalle dimensioni standard delle lampadine o dai vincoli di layout imposti da macchinari industriali o dai veicoli come i muletti. Rispetto ai laminati normali, le prestazioni termiche superiori dei substrati Ims consentono ai progettisti di dimensionare adeguatamente i dissipatori per mantenere i chip a bassa temperatura, garantendo così un’affidabilità soddisfacente. In alcune applicazioni, i dissipatori esterni e i relativi accessori possono essere completamente eliminati, consentendo una notevole miniaturizzazione e semplificazione dell’assemblaggio. In passato, si trattava di tecnologie di nicchia, scelte solo da progettisti alle prese con requisiti e vincoli progettuali estremi. L’attuale esplosione del mercato dei Led per illuminotecnica ed il numero crescente di veicoli elettrici o ibridi in vendita rappresentano due tendenze importanti che favoriscono l’adozione di tecnologia su vasta scala.
Si prevede che la richiesta di tecnologie Ims aumenterà, portando inevitabilmente maggiore pressione sui costi nei nuovi progetti. Ciò avrà diverse conseguenze. Innanzitutto, i produttori probabilmente diversificheranno la loro gamma di prodotti per aiutare i clienti ad ottenere compromessi vantaggiosi tra costi e prestazioni, nell’affrontare vari mercati ed applicazioni. Inoltre, nuovi produttori entreranno nel mercato con prezzi attraentemente bassi, ma con qualità e prestazioni ignote.


Una tecnologia che necessita di uno standard
I progettisti che scelgono di utilizzare le tecnologie Ims devono essere in grado di fare affidamento sulla qualità e sulle prestazioni della soluzione scelta. In particolare, aspetti quali lo spessore e la rigidità dielettrica del materiale dielettrico hanno un notevole impatto sulla sicurezza degli apparati che funzionano ad alta tensione. In un’applicazione di illuminazione a Led con un elevato numero di sorgenti in serie, il potenziale applicato alla stringa può raggiungere diverse centinaia di volt. A queste tensioni operative una sovratensione può causare la rottura permanente di un dielettrico debole, incrementando il rischio di guasto del circuito o esponendo l’utente al rischio di folgorazione. In aggiunta alle caratteristiche del dielettrico, altri fattori come lo spessore della base metallica dettano le prestazioni termiche e, conseguentemente, l’affidabilità complessiva del circuito. Storicamente non sono stati mai definiti dei test standard per i prodotti in tecnologia Ims che consentissero ai progettisti di confrontare i prodotti di diversi fabbricanti ed essere sicuri che quello scelto avesse le prestazioni attese. Nel corso del 2013, un team di Bergquist ha contattato l’associazione Ipc (Association Connecting Electronics Industries) per suggerire l’urgente necessità di definire un quadro di riferimento certo. Ipc ha immediatamente apprezzato la proposta avviando la formazione di un comitato per sviluppare delle specifiche standard e dei test per le tecnologie Ims. Il documento in cantiere, proposto come standard congiunto IPC/CPCA-4105, dal titolo “Specification for Metal Base / Copper Clad Laminates for Rigid Printed Boards” è quasi completato. La stesura cominciò inizialmente in Cina da parte della China Printed Circuitry Association, e ora il documento è sottoposto alla revisione dell’industria globale, alla ricerca di un accordo, in quanto standard industriale congiunto. Per la prima volta, lo standard fornirà un quadro indipendente per confrontare substrati termicamente superiori di diversi fornitori da tutto il mondo. Questa novità aiuterà i progettisti a selezionare i materiali che soddisfano meglio le esigenze delle loro applicazioni e garantiscono la qualità.

Ims in breve
La tecnologia Ims è disponibile da un certo numero di fornitori noti e fidati. Tipicamente la struttura comprende uno strato metallico di base, uno strato dielettrico ad elevata conducibilità termica e uno strato superiore di rame che viene litografato per creare il circuito. Il metallo del substrato è tipicamente alluminio o rame. Lo strato dielettrico è responsabile dell’isolamento elettrico tra il livello del circuito ed il metallo della base. Inoltre, deve avere un’elevata conducibilità termica per assicurare un efficiente trasferimento di calore dai componenti a montaggio superficiale saldati sulle piazzole di rame. Di conseguenza, le caratteristiche del materiale dielettrico, come lo spessore nominale e l’uniformità dello spessore, sono fattori critici che determinano le prestazioni della scheda, in particolare la sua abilità di sopportare pericoli come i transitori ad alte tensioni. Come descritto sopra, la rottura del dielettrico può compromettere la sicurezza e l’affidabilità del circuito. D’altra parte, le proprietà del materiale metallico di base e il suo spessore governano la capacità termica del sistema e quindi giocano un ruolo critico nel determinare la temperatura a regime della giunzione dei componenti di potenza sovrastanti.

Il nuovo standard IPC/CPCA-4105A
La bozza di standard IPC/CPCA-4105A sta avanzando nel processo di revisione allargato e si prevede che sarà terminato entro la fine del 2015. Le specifiche includono la classificazione, la qualifica e i requisiti in termini di qualità. Per la prima volta vengono definiti esplicitamente i materiali dielettrici termicamente conduttivi su base metallica, inclusi i laminati su base metallica ed i prepreg. Si noti che le specifiche esistenti IPC-4101, che si riferiscono ai materiali di base per circuiti stampati rigidi e multistrato, non comprendono schede con una base metallica. Il sistema di classificazione IPC/CPCA-4105A, sviluppato da Ipc per la sua porzione di standard congiunto, include delle sigle specifiche che possono essere utilizzate dai fabbricanti di circuiti stampati quando ordinano i materiali dai fornitori. Inoltre, vengono definite anche delle sigle non specifiche che sono adatte per l’impiego da parte dei progettisti di schede. Queste sigle non specifiche sono ideate per essere facili da usare senza dover avere una conoscenza approfondita del processo di fabbricazione e possono essere arricchite da viste in sezione o note sul disegno principale. Il sistema di classificazione crea lo standard per un modo di descrivere tutti gli aspetti della scheda, inclusi il tipo di metallo di base e il suo spessore nominale, sia per la placcatura superiore laminata o metallica. Per classificare i metalli di base vengono impiegati quattro caratteri per indicare il materiale, oltre ad altre sigle per definire lo spessore e le tolleranze. Inoltre vengono definiti i metodi accettabili per misurare lo spessore delle classi di materiali dielettrici ammessi. Questi includono la tecnica di misura tramite microsezione per i materiali di classe D o tramite micrometro per i materiali delle altre classi. Il nuovo standard copre anche i tipi di placcatura metallica, in termini di peso e spessore nominali e di qualità della ricopertura anche per i metalli in fogli, analogamente allo standard IPC-4101. Un nuovo metodo per misurare le prestazione termiche è quello di eseguire un test “Round-Robin” prima di effettuare le prove definite nello standard IPC-TM-650. Permette di effettuare la misura su un provino di un substrato Ims, anziché, come viene fatto attualmente, di misurare solo il dielettrico con metodi e valori che cambiano.

Metodo di test della rigidità del dielettrico
Oltre ai documenti che riguardano la nomenclatura, il metodo di test “Electrical Strength of Metal Base Printing Wiring Material” fissa uno standard con la tecnica di valutazione della capacità di un materiale isolante su base metallica, incluso il conduttore superiore di rame, di resistere alla rottura del dielettrico perpendicolarmente al piano della scheda quando sottoposto a tensioni elevate, per brevi periodi, sia in continua che alle frequenze di rete di 50-60 Hz. Il metodo per misurare la rigidezza del dielettrico si basa sullo standard internazionalmente riconosciuto ASTM D149. Infatti, in generale lo standard IPC/CPCA-4105A è stato sviluppato facendo riferimento a standard consolidati e applicati da un’ampia varietà di istituzioni mondiali. Tra queste ci sono gli standard Ipc per il materiale di base, i metodi di test IPC-TM-650, gli standard di saldabilità Jedec e Rohs EU, e gli standard Ansi e Iso per gli apparati di misura e collaudo. Con l’avanzare dello sviluppo dello standard, numerosi esperti provenienti da numerose aziende e organizzazioni commerciali si sono uniti al progetto. Il gruppo di lavoro all’interno di Ipc include un’ampia rappresentanza del mondo industriale, tra cui fornitori di materiali, fabbricanti e progettisti di circuiti stampati e sistemi. Si prevede che questo standard, una volta approvato, verrà universalmente accolto dai fornitori principali e dagli utilizzatori.

Pubblica i tuoi commenti