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POWER THERMAL MANAGEMENT rame. La lamina di rame viene incisa nello schema cir- cuitale desiderato e la base metallica assorbe il calore da questo circuito attraverso il sottile dielettrico. Un’alternativa diversa consiste nell’utilizzare tracce di rame più spesse per collegare i dispositivi di alimenta- zione. Tuttavia, la creazione di tracce di larghezza ridot- ta diventa più impegnativa quanto più spesso è il rame, portando a problemi di spaziatura delle tracce sul layout. Anche se distribuire il calore in modo uniforme durante il processo di progettazione del PCB può essere impegna- tivo e richiedere un certo sforzo, i progettisti dovrebbero evitare di creare aree di potenza (e quindi di energia ter- mica) troppo dense. Layout e disposizione dei componenti I principali accorgimenti adottati riguardano la predispo- sizione di ulteriori superfici in rame, l’utilizzo di tracce di maggior spessore e l’inserimento di passanti termici sotto i componenti che generano maggiore quantità di calore. Una tecnica più aggressiva, capace di dissipare una maggiore quantità di calore, prevede l’inserimento nel PCB o l’applicazione sugli strati più esterni di veri e propri blocchi di rame, tipicamente a forma di moneta (da cui il nome “copper coin”, visibile in figura 2). I copper coin sono lavorati separatamente e poi saldati o fissati direttamente al PCB, oppure possono essere inseriti ne- gli strati interni e collegati agli strati esterni tramite via termici. I componenti attivi dovrebbero essere distribuiti nel PCB per evitare la formazione di punti caldi in una zona spe- cifica, evitando di posizionarli in prossimità dei bordi per consentire una distribuzione uniforme del calore. I di- spositivi di potenza WBG non devono essere posizionati vicino a componenti sensibili e devono essere opportu- namente distanziati gli uni dagli altri. più elevate (transistor WBG che commutano a frequenze molto elevate). L’entità del raffreddamento attivo è de- terminata dalla velocità di rotazione della ventola, che spesso viene regolata in base alla temperatura del die (se disponibile) o del package del componente. Poiché le ventole sono tipicamente controllate tramite un segnale PWM, è opportuno prevedere dei meccanismi, come filtri o induttanze, atti a ridurre il rumore elettromagnetico. I dissipatori di calore ad alte prestazioni con design ot- timizzato delle alette e ampie superfici contribuiscono a migliorare la dissipazione del calore. L’utilizzo di mate- riali termicamente conduttivi come il rame o le leghe di alluminio può migliorare la conduttività termica e ridur- re la resistenza termica. Raffreddamento a liquido Le tecniche di raffreddamento attivo più efficaci, come quelle utilizzate negli amplificatori di alta potenza e nelle applicazioni a radiofrequenza (RF), si basano su elementi refrigeranti come glicole o acqua che, scorrendo in tubi metallici, sottraggono il calore dai componenti dove si ha una maggiore concentrazione dello stesso (i cosiddetti hot-spot). Materiali di interfaccia termica (TIM) I TIM a elevate prestazioni, come grassi termici, i mate- riali a cambiamento di fase e i cuscinetti termici, ven- gono utilizzati per riempire gli spazi d’aria esistenti tra il dispositivo di potenza e il dissipatore di calore. Questi materiali migliorano il trasferimento di calore riducendo al minimo la resistenza termica all’interfaccia. Selezione dei materiali del PCB Oltre ai metodi di raffreddamento attivo e passivo, un al- tro fattore cruciale per ottenere eccellenti prestazioni di gestione termica è la corretta selezione di materiali spe- cifici per i substrati del PCB. FR-4, il materiale più popo- lare per i substrati PCB convenzionali, ha una condutti- vità termica molto bassa, compresa tra 0,2 e 0,5 W/mK. I materiali ceramici offrono vantaggi significativi per la gestione termica grazie a una migliore conduttività ter- mica ed eccellenti proprietà meccaniche che aiutano a compensare lo stress accumulato durante ripetuti cicli termici. Inoltre, i materiali ceramici presentano perdite dielettriche inferiori operando a frequenze fino a 10 GHz. I PCB con nucleo in alluminio o metallo (MCPCB) possono essere presi in considerazione per applicazioni che uti- lizzano componenti ad alta potenza come MOSFET WBG, IGBT, o LED di potenza. In questi PCB, un sottile strato di dielettrico termicamente conduttivo ma elettricamente isolante è laminato tra una base metallica e un foglio di Fig. 2 – PCB con un copper coin ELETTRONICA OGGI 521 - OTTOBRE 2024 49