No vasto universo da indústria eletrônica, a importância das placas de circuito impresso (PCB) como pontes que conectam componentes eletrônicos é evidente. No entanto, com o rápido desenvolvimento da ciência e da tecnologia, PCBs tradicionais parecem incapazes de lidar com o empacotamento de dispositivos de alta potência. Para romper esse gargalo, uma série de tecnologias inovadoras surgiram, entre os quais a tecnologia de incorporação de dispositivos de energia em PCBs é a estrela mais deslumbrante. Este artigo irá levá-lo ao misterioso mundo desta tecnologia e explorar seus princípios, situação atual e tendências futuras.
1.Limitações e desafios dos PCBs tradicionais
PCB, o “rodovia eletrônica” composto por camada de isolamento orgânico e camada de circuito metálico, tornou-se um componente indispensável em produtos eletrônicos com seu baixo preço e boa usinabilidade. No entanto, assim como tudo tem suas limitações, a inadequação dos PCBs tradicionais no desempenho de dissipação de calor tornou-se um grande gargalo que restringe sua aplicação no campo de embalagens de dispositivos de alta potência.
A camada de isolamento orgânico, geralmente feito de material de resina orgânica e tecido de fibra de vidro (FR4), tem uma condutividade térmica de apenas 0,2 ~ 0,3 W/(m · k), que é muito menor que a condutividade térmica dos materiais metálicos. Em ambiente de alta temperatura, materiais orgânicos são propensos à degradação térmica e ao envelhecimento térmico, e até mesmo carbonização pode ocorrer em casos graves, que afeta seriamente a estabilidade e a vida útil dos produtos eletrônicos. Portanto, é difícil para os PCBs tradicionais atenderem aos altos requisitos de embalagem de dispositivos de energia para desempenho de dissipação de calor.
2.O surgimento de placas de circuito impresso à base de metal (MCPCBs)
A fim de melhorar o desempenho de dissipação de calor dos substratos de PCB, placas de circuito impresso à base de metal (MCPCBs) surgiu. MCPCBs combinam camadas metálicas e camadas isolantes, e use a alta condutividade térmica do metal para melhorar a capacidade geral de dissipação de calor do substrato. No entanto, embora os MCPCBs tenham melhorado no desempenho de dissipação de calor, sua condutividade térmica geral ainda não é alta, o que torna difícil atender à busca final de desempenho de dissipação de calor para embalagens de dispositivos de alta potência.
3.Avanços na tecnologia de placas de cobre enterradas
A fim de melhorar ainda mais o desempenho de dissipação de calor dos substratos de PCB, a indústria propôs o conceito de placas de cobre enterradas. A tecnologia de placa de cobre enterrada usa um processo de laminação para incorporar blocos metálicos de cobre em substratos de PCB ou MCPCB com janela, e usa a alta condutividade térmica do metal para melhorar significativamente a capacidade geral de dissipação de calor do substrato. No entanto, a fim de evitar curtos-circuitos causados pela condução metálica, a superfície do bloco de cobre geralmente precisa ser coberta com uma camada isolante. Embora esta camada isolante resolva o problema do curto-circuito, também tem um certo impacto no desempenho de dissipação de calor do substrato.
4.Jinmai: Prática inovadora de incorporação de dispositivos de energia padrão em PCBs embalados
Contra este pano de fundo, Jinmai (uma subsidiária da Infineon Technologies, qual é o agente de Inheng) solicitou uma patente de modelo de utilidade para “PCB empacotado incorporado para dispositivos de energia padrão” (número do aplicativo: CN202323630195.1). A patente propõe uma nova estrutura de embalagem que integra chips de potência, circuitos de controle e circuitos de acionamento, barramentos e resistores shunt em uma PCB, alcançando alta integração e modularização.
Especificamente, a estrutura PCB da patente inclui seis camadas de embalagem, em que uma unidade transportadora é fornecida entre a terceira camada de embalagem e a quarta camada de embalagem. A unidade transportadora inclui um substrato de cobre, cuja superfície superior é dotada de uma ranhura, e a parte inferior interna da ranhura é conectada fixamente ao chip de potência através de uma camada de conexão. Esta estrutura não só expande a área de condução de calor, mas também minimiza o impacto da camada de isolamento no desempenho de dissipação de calor, otimizando o layout e a espessura da camada de isolamento.
É importante notar que a solução de integração da Jinmai provavelmente será projetada com base no chip S-cell da Infineon. Como produto estrela da Infineon, o chip S-cell ganhou amplo reconhecimento no mercado por seu excelente desempenho e estabilidade. Jinmai aplicou isso em sua própria solução de embalagem, o que sem dúvida aumentou ainda mais a competitividade do produto.
No entanto, há também alguns problemas que vale a pena explorar nesta solução. Por exemplo, o dispositivo de energia é isolado da superfície condutora de calor de montagem por uma camada isolante, e a espessura e a condutividade térmica desta camada têm maior impacto na resistência térmica. Embora haja uma grande base de cobre para expandir a área condutora de calor, a existência da camada isolante ainda terá certas limitações no desempenho de dissipação de calor. Além disso, também vale a pena discutir se o resistor shunt incorporado é adequado para aplicações de alta potência. Grande perda de corrente é grande, o valor da resistência é muito pequeno, e se o desvio de temperatura afetará a precisão e outras questões precisam de mais pesquisas e verificação.
5.Uma empresa na China: Exploração inovadora de substrato de embalagem de chip de energia incorporado e método de embalagem
Além de Jinmai, Uma empresa na China também conduziu uma exploração aprofundada no campo da tecnologia de PCB incorporada em dispositivos de energia. Eles propuseram um substrato de embalagem incorporado com chip de energia e um método de embalagem, que realiza empacotamento eficiente e dissipação de calor de chips de energia através de chips vazios, substratos rígidos, placas principais, camadas isolantes, camadas metálicas externas, furos cegos na superfície da camada de metal, conectando colunas e camadas metálicas internas.
Esta solução não só melhora a densidade da embalagem e o desempenho de dissipação de calor, mas também reduz o custo da embalagem e a dificuldade de fabricação, otimizando a estrutura interna. Esta prática inovadora do Circuito Sul de Shenzhen fornece novas idéias e direções para o desenvolvimento de tecnologia de PCB incorporada em dispositivos de energia.
6.Perspectivas futuras: Possibilidades infinitas de tecnologia de PCB incorporada em dispositivos de energia
Com o desenvolvimento contínuo da indústria eletrônica, a tecnologia de PCB incorporada em dispositivos de energia dará início a uma perspectiva de desenvolvimento mais ampla. Por um lado, com o surgimento contínuo de novos materiais e novos processos, o desempenho de dissipação de calor dos substratos de PCB será melhorado ainda mais; por outro lado, com o rápido desenvolvimento da fabricação inteligente e da tecnologia da Internet das Coisas, A tecnologia PCB incorporada ao dispositivo de energia será amplamente utilizada em casas inteligentes, novos veículos de energia, automação industrial e outros campos, fornecendo um forte apoio à inovação e ao desenvolvimento nestes domínios.
No futuro, temos motivos para acreditar que a tecnologia de PCB incorporada em dispositivos de energia continuará a superar gargalos técnicos e alcançar resultados mais eficientes, soluções confiáveis e inteligentes de embalagem e dissipação de calor. Esta inovação tecnológica nos levará a um mundo eletrônico melhor.
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