Nel vasto universo dell’industria elettronica, l’importanza dei circuiti stampati (PCB) come ponti che collegano i componenti elettronici è ovvio. Tuttavia, con il rapido sviluppo della scienza e della tecnologia, i PCB tradizionali sembrano non essere in grado di far fronte al confezionamento di dispositivi ad alta potenza. Per superare questo collo di bottiglia, sono emerse una serie di tecnologie innovative, tra i quali la tecnologia di incorporamento dei dispositivi di potenza nei PCB è la stella più brillante. Questo articolo ti porterà nel misterioso mondo di questa tecnologia ed esplorerà i suoi principi, stato attuale e tendenze future.
1.Limitazioni e sfide dei PCB tradizionali
PCB, IL “autostrada elettronica” composto da strato isolante organico e strato circuitale metallico, è diventato un componente indispensabile nei prodotti elettronici grazie al suo prezzo basso e alla buona lavorabilità. Tuttavia, così come ogni cosa ha i suoi limiti, l'inadeguatezza dei PCB tradizionali nelle prestazioni di dissipazione del calore è diventata un grave collo di bottiglia che ne limita l'applicazione nel campo del packaging di dispositivi ad alta potenza.
Lo strato isolante organico, solitamente realizzato in materiale di resina organica e tessuto in fibra di vetro (FR4), ha una conduttività termica di soli 0,2~0,3 W/(M · k), che è molto inferiore alla conduttività termica dei materiali metallici. In ambiente ad alta temperatura, i materiali organici sono soggetti alla degradazione termica e all'invecchiamento termico, e nei casi più gravi può verificarsi anche la carbonizzazione, che pregiudica gravemente la stabilità e la durata dei prodotti elettronici. Perciò, è difficile per i PCB tradizionali soddisfare gli elevati requisiti dei contenitori dei dispositivi di potenza in termini di prestazioni di dissipazione del calore.
2.L'emergere di circuiti stampati a base metallica (MCPCB)
Al fine di migliorare le prestazioni di dissipazione del calore dei substrati PCB, circuiti stampati a base metallica (MCPCB) è nato. Gli MCPCB combinano strati metallici e strati isolanti, e utilizzare l'elevata conduttività termica del metallo per migliorare la capacità complessiva di dissipazione del calore del substrato. Tuttavia, sebbene gli MCPCB abbiano migliorato le prestazioni di dissipazione del calore, la loro conduttività termica complessiva non è ancora elevata, il che rende difficile soddisfare la ricerca finale di prestazioni di dissipazione del calore per l'imballaggio di dispositivi ad alta potenza.
3.Innovazioni nella tecnologia delle piastre di rame sepolte
Al fine di migliorare ulteriormente le prestazioni di dissipazione del calore dei substrati PCB, l'industria ha proposto il concetto di lastre di rame sepolte. La tecnologia delle piastre di rame sepolte utilizza un processo di laminazione per incorporare blocchi di rame metallico in substrati PCB o MCPCB con finestra, e sfrutta l'elevata conduttività termica del metallo per migliorare significativamente la capacità complessiva di dissipazione del calore del substrato. Tuttavia, per evitare cortocircuiti causati dalla conduzione metallica, la superficie del blocco di rame solitamente necessita di essere ricoperta con uno strato isolante. Sebbene questo strato isolante risolva il problema del cortocircuito, ha anche un certo impatto sulle prestazioni di dissipazione del calore del substrato.
4.Jinmai: Pratica innovativa di incorporamento di dispositivi di potenza standard in PCB confezionati
In questo contesto, Jinmai (una filiale di Infineon Technologies, che è l'agente di Inheng) ha richiesto il brevetto per modello di utilità “PCB confezionato integrato per dispositivi di potenza standard” (numero della domanda: CN202323630195.1). Il brevetto propone una nuova struttura di packaging che integra chip di potenza, circuiti di controllo e circuiti di azionamento, sbarre collettrici e resistori di shunt in un PCB, raggiungere un’elevata integrazione e modularizzazione.
Specificamente, la struttura PCB del brevetto comprende sei strati di imballaggio, in cui tra il terzo strato di confezione ed il quarto strato di confezione è prevista un'unità di supporto. L'unità portante include un substrato di rame, la cui superficie superiore è provvista di una scanalatura, e il fondo interno della scanalatura è collegato in modo fisso al chip di potenza tramite uno strato di collegamento. Questa struttura non solo espande l'area di conduzione del calore, ma riduce anche al minimo l'impatto dello strato isolante sulle prestazioni di dissipazione del calore ottimizzando la disposizione e lo spessore dello strato isolante.
Vale la pena notare che la soluzione di integrazione di Jinmai sarà probabilmente progettata sulla base del chip S-cell di Infineon. Come prodotto di punta di Infineon, il chip S-cell ha ottenuto ampi riconoscimenti sul mercato per le sue eccellenti prestazioni e stabilità. Jinmai lo ha applicato alla propria soluzione di imballaggio, che senza dubbio ha ulteriormente accresciuto la competitività del prodotto.
Tuttavia, ci sono anche alcune questioni che vale la pena esplorare in questa soluzione. Per esempio, il dispositivo di potenza è isolato dalla superficie termoconduttiva di montaggio mediante uno strato isolante, e lo spessore e la conduttività termica di questo strato hanno un impatto maggiore sulla resistenza termica. Sebbene sia presente una grande base in rame per espandere l'area di conduzione del calore, l'esistenza dello strato isolante avrà comunque alcune limitazioni sulle prestazioni di dissipazione del calore. Inoltre, Vale la pena discutere anche se il resistore di shunt integrato sia adatto per applicazioni ad alta potenza. La grande perdita di corrente è grande, il valore della resistenza è molto piccolo, e se la deriva della temperatura influenzerà la precisione e altri problemi necessitano di ulteriori ricerche e verifiche.
5.Una società in Cina: Esplorazione innovativa del substrato e del metodo di confezionamento dei chip di potenza integrati
Oltre a Jinmai, Anche un'azienda cinese ha condotto un'esplorazione approfondita nel campo della tecnologia PCB incorporata nei dispositivi di potenza. Hanno proposto un substrato di confezionamento e un metodo di confezionamento incorporati in un chip di potenza, che realizza un imballaggio efficiente e una dissipazione del calore dei chip di potenza attraverso chip nudi, substrati rigidi, tavole centrali, strati isolanti, strati metallici esterni, fori ciechi sulla superficie dello strato metallico, colonne di collegamento e strati metallici interni.
Questa soluzione non solo migliora la densità dell'imballaggio e le prestazioni di dissipazione del calore, ma riduce anche i costi di imballaggio e le difficoltà di produzione ottimizzando la struttura interna. Questa pratica innovativa del Circuito Sud di Shenzhen fornisce nuove idee e indicazioni per lo sviluppo della tecnologia PCB incorporata nei dispositivi di potenza.
6.Prospettive future: Infinite possibilità della tecnologia PCB integrata nei dispositivi di potenza
Con il continuo sviluppo dell'industria elettronica, La tecnologia PCB incorporata nel dispositivo di potenza introdurrà una prospettiva di sviluppo più ampia. Da un lato, con la continua comparsa di nuovi materiali e nuovi processi, le prestazioni di dissipazione del calore dei substrati PCB saranno ulteriormente migliorate; d'altra parte, con il rapido sviluppo della produzione intelligente e della tecnologia Internet of Things, La tecnologia PCB incorporata nel dispositivo di potenza sarà ampiamente utilizzata nelle case intelligenti, veicoli di nuova energia, automazione industriale e altri campi, fornendo un forte sostegno all’innovazione e allo sviluppo in questi campi.
In futuro, abbiamo motivo di credere che la tecnologia PCB integrata nei dispositivi di potenza continuerà a superare i colli di bottiglia tecnici e a raggiungere una maggiore efficienza, soluzioni di imballaggio e dissipazione del calore affidabili e intelligenti. Questa innovazione tecnologica ci porterà verso un mondo elettronico migliore.
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