Lo sviluppo dell’hardware elettronico verso l’alta densità e la miniaturizzazione spinge la superficie delle PCB (Printed Circuit Board) a ridursi drasticamente, mentre il numero di componenti elettronici che devono essere assemblati sulla scheda continua ad aumentare costantemente. In un modulo di potenza, i dispositivi induttivi rappresentano oltre il 40% della piastra di potenza, a svantaggio della miniaturizzazione e dell’implementazione ad alta densità dei prodotti elettronici. Per esplorare una soluzione migliore, alcuni progettisti prendono in considerazione l’integrazione di componenti come induttori, resistori e condensatori all’interno della parte interna della scheda PCB, in modo da ottenere un’elevata densità e la miniaturizzazione dei prodotti elettronici. Inoltre, le PCB con componenti integrati portano a piste più corte tra i componenti, al miglioramento delle prestazioni elettriche, a un aumento efficace dell’area utile di impacchettamento della scheda, a una riduzione delle connessioni di saldatura sull’area della PCB, così che l’affidabilità del package venga migliorata con un risparmio sui costi.
Classificazioni dei componenti incorporati e principi di progettazione
• Resistori e condensatori integrati
Sono disponibili diverse tecnologie di fabbricazione per l’incapsulamento dei componenti. Per quanto riguarda le resistenze integrate, si applica innanzitutto un materiale ad alta resistenza; in seguito si utilizza un materiale di substrato rivestito di nichel-fosforo nichelato; quindi si adotta il metodo di pre-cottura a film spesso ceramico o la tecnologia LTCC (ceramica co-cotta a bassa temperatura). Infine, è possibile fabbricare tutti i tipi di resistori planari con diverse resistenze.
Un metodo migliore di fabbricazione di condensatori integrati è la laminazione diretta di polimeri in fogli metallici. Le tecnologie di fabbricazione di condensatori integrati includono l’applicazione di membrane dielettriche, la generazione di dielettrici a film spesso o sottile e l’applicazione di membrane spesse ad alta temperatura con costante dielettrica elevata.
Sulla base dell'introduzione sopra,Produttori di PCBprincipalmente posizionare resistori e condensatori sulla superficie dello strato interno del circuito stampato tramite incisione o stampa. Successivamente vengono incorporati nello strato interno tramite laminazione e tecnologia di fabbricazione di PCB multistrato. L’integrazione dei componenti sostituisce la saldatura dei componenti passivi sulla superficie del PCB, con un notevole aumento della libertà di assemblaggio dei componenti e di instradamento.
• Induttori integrati
L’incapsulamento degli induttori consiste nella formazione di forme come spirali o piegature tramite incisione o placcatura in rame, oppure nella realizzazione di strutture spiralate multistrato attraverso fori passanti tra gli strati. Fino ad ora, il modulo ad alta frequenza è quello più ampiamente applicato. I produttori di PCB collocano gli induttori sullo strato interno della scheda PCB tramite incisione o stampa, sulla base della tecnologia di fabbricazione interna di un circuito stampato multistrato.
Tra gli induttori vi sono induttori contenenti un nucleo magnetico. Questo tipo di induttori possiede nuclei magnetici e una bobina avvolta con cui l’energia del campo magnetico in AC viene immagazzinata in DC/AC con le corrispondenti funzioni di corrente implementate. I nuclei magnetici possono essere sia inseriti che incorporati, mentre la bobina può essere progettata solo in via. I prodotti di induttori incorporati si dividono principalmente in due tipi: induttore solidamente incorporato e induttore cavo incorporato. Il primo è fissato nel PCB con l’induttore incorporato laminato da prepreg periferico. Il secondo vibra con il movimento del PCB con induttori incorporati all’interno del circuito stampato.
Il confronto tra la progettazione di moduli con induttore integrato e i normali moduli di potenza è riassunto nella tabella seguente.
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Articolo
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Modulo di potenza tradizionale
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Modulo con Induttore Integrato
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| Tipo di assemblaggio |
SMT |
Posizionato all'interno del PCB durante la fabbricazione o l'assemblaggio del PCB |
| Struttura magnetica |
Il circuito magnetico è perpendicolare alla superficie del PCB. |
Il circuito magnetico è parallelo alla superficie del PCB. |
| Layout degli avvolgimenti |
L’avvolgimento è parallelo al nucleo magnetico circostante e parallelo alla superficie del PCB. |
L’avvolgimento è perpendicolare alla superficie del PCB, formato nel via e nel PCB. Tutti gli avvolgimenti sono generati tramite il taglio della superficie del PCB. |
| Immagine indicata |
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• Blocchi termici in rame incorporati
La costante riduzione del volume dei prodotti elettronici e la densità sempre più elevata hanno reso la dissipazione termica dei prodotti elettronici una grande sfida per il design industriale. Fino ad ora, i principali metodi di dissipazione termica includono PCB realizzati con metallo come substrato, saldatura su base metallica sulla scheda a circuito stampato e fori passanti riempiti con pasta conduttiva. I primi due tipi comportano un grande consumo di materiale metallico e sono adatti alla produzione di PCB monofaccia. Gli altri metodi presentano processi così complicati che la dissipazione termica non riesce a soddisfare le esigenze richieste dal design.
L’inserimento di blocchi di rame elimina il problema dell’elevato costo e può risolvere efficacemente il problema della dissipazione termica. I principali tipi di dissipazione termica includono:
a. Penetrazione del blocco di rame. Lo spessore del blocco di rame incorporato è equivalente a quello del circuito stampato finito. Il blocco di rame attraversa lo strato superiore e quello inferiore.
b. Blocco di rame semi-incassato. Lo spessore del blocco di rame incassato è inferiore a quello del circuito stampato finito. Un lato del blocco di rame rimane alla stessa altezza dello strato inferiore mentre l’altro lato rimane alla stessa altezza di uno strato interno.
Difficoltà delle tecnologie dei componenti incorporati e le loro soluzioni
• Resistori e condensatori integrati
I prodotti con resistori integrati derivano principalmente dall’integrazione dei resistori tramite incisione, che trova applicazioni relativamente ampie. I materiali principali per l’integrazione dei resistori ampiamente accettati dall’industria sono la lega Ni-P e la lega Ni-Cr, le cui prestazioni sono differenti e richiedono soluzioni di incisione diverse. Fino ad ora, il problema principale affrontato durante il processo di incisione dei materiali con resistori integrati è come controllare la resistenza e la relativa tolleranza, cioè la compensazione della linea in funzione della posizione del resistore, che diventa particolarmente significativa quando si tratta di materiali resistivi con bassa resistenza per quadrato, poiché l’incisione influisce maggiormente sulla resistenza.
I condensatori integrati sono un tipo di materiale capacitivo che può essere incorporato nel circuito stampato (PCB). Poiché questo tipo di materiale presenta un’elevata densità di capacità, svolge un ruolo di disaccoppiamento e filtraggio nel sistema di alimentazione, riducendo così la capacità libera. Questo tipo di materiale è in grado di migliorare le prestazioni dei prodotti elettronici e di ridurre le dimensioni della scheda circuitale. La principale difficoltà per i prodotti elettronici con condensatori integrati è lo strato dielettrico relativamente sottile del materiale incorporato. Di conseguenza, il tracciamento e l’incisione devono essere eseguiti su un solo lato.
• Incapsulamento del componente a nucleo magnetico
a. Controllo del serbatoio di fresatura. Dopo il taglio del materiale per il circuito stampato (PCB), sul circuito interno deve essere fresato un serbatoio circolare.
b. Laminazione completa del nucleo magnetico con gel completamente riempito. Prima della laminazione del PCB, il nucleo magnetico viene posizionato nel serbatoio di fresatura, il che richiede di considerare una laminazione completa del nucleo magnetico con gel completamente riempito. La struttura di laminazione e la modalità di layout devono essere monitorate.
c. Progettazione della struttura laminata. Sono disponibili due metodi di progettazione per la struttura laminata del PCB con nucleo magnetico incorporato: applicazione del nucleo magnetico durante la laminazione e laminazione del nucleo magnetico.
d. Modalità di disposizione della laminazione. Per evitare che il nucleo magnetico cada, il lato del nucleo magnetico deve essere rivolto verso l’alto durante la disposizione e, per evitare che il nucleo magnetico si rompa a causa della concentrazione di tensioni, è necessario utilizzare un tampone di protezione durante la disposizione.
e. Produzione di fori metallizzati attorno al nucleo magnetico. Per garantire che la foratura non danneggi il nucleo magnetico e per evitare cortocircuiti dopo la metallizzazione, durante la fase di progettazione la distanza di sicurezza tra i fori e il nucleo magnetico deve essere di almeno 0,2 mm.
• Prodotti elettronici con blocchi di rame incorporati
a. Per quanto riguarda l’incassatura di tipo a penetrazione del blocco di rame, il controllo delle dimensioni del serbatoio di fresatura dovrebbe essere equivalente a quello dell’incassatura del nucleo magnetico.
b. Per i prodotti con blocchi di rame semi-incassati, occorre prestare particolare attenzione alla profondità del serbatoio di fresatura.
c. Per quanto riguarda il collegamento tra i blocchi di rame e il prepreg, un lato del blocco di rame deve essere brunito.
d. Disposizione per la laminazione. Il blocco di rame deve essere posizionato verso l’alto per evitare che i blocchi di rame cadano. Durante la disposizione per la laminazione si deve utilizzare un tampone di protezione per evitare difetti dovuti all’assenza di gel.
L’implementazione della tecnologia di componenti integrati è una delle soluzioni essenziali per la miniaturizzazione dei moduli di potenza e per soddisfare le esigenze di sviluppo verso la miniaturizzazione e la multifunzionalità dei prodotti elettronici. L’area superficiale del PCB può essere notevolmente ottimizzata integrando all’interno del PCB condensatori, induttori e resistori. Inoltre, i prodotti con blocchi di rame integrati possono sia ridurre efficacemente il costo dei prodotti ad alta frequenza, sia migliorare le prestazioni di dissipazione termica.
PCBCart è specializzata nella produzione di PCB con componenti integrati.
