Il circuiti stampati in alluminio è un laminato rivestito in rame a base metallica unico nel suo genere, composto da strati circuitali, strati di isolamento termico e un substrato metallico. Utilizzando una lastra di alluminio come materiale di base, sulla superficie vengono formate tracce conduttive in rame attraverso processi di incisione chimica o lavorazione meccanica, creando un circuito stampato.
Composizione dei circuiti stampati in alluminio
Strato circuitale
Lo strato circuitale (tipicamente un foglio di rame elettrolitico) viene inciso per formare circuiti stampati, facilitando l’assemblaggio e l’interconnessione dei componenti. Rispetto al tradizionale FR-4, i circuiti stampati in alluminio possono trasportare correnti più elevate a parità di spessore e larghezza delle tracce.
Strato isolante
Lo strato isolante rappresenta la tecnologia di base dei circuiti stampati in alluminio, svolgendo principalmente funzioni di incollaggio, isolamento e conduzione termica. Costituisce la barriera termica primaria all’interno delle strutture dei moduli di potenza. La conducibilità termica superiore all’interno di questo strato facilita la dissipazione del calore generato durante il funzionamento del dispositivo, riducendo così le temperature di esercizio. Ciò migliora la capacità di gestione della potenza del modulo, riduce l’ingombro fisico, prolunga la durata di servizio e aumenta la potenza erogata.
Strato di base metallico
La scelta del metallo per il substrato metallico isolante dipende da una valutazione completa di fattori quali il coefficiente di espansione termica, la conducibilità termica, la resistenza, la durezza, il peso, le condizioni della superficie e il costo.
Struttura del circuiti stampati in alluminio
La struttura tipica di un circuiti stampati in alluminio è la seguente: lo strato superiore è costituito dallo strato di traccia, lo strato intermedio è lo strato di interfaccia termica isolante con eccellente conducibilità termica e lo strato inferiore è costituito dal substrato di base in alluminio.
Circuiti stampati in alluminio a strato singolo per montaggio superficiale
Il circuiti stampati in alluminio a strato singolo per montaggio superficiale presenta la struttura più semplice, è il più facile da produrre e ha il costo più basso. Le tracce sono incise direttamente sullo strato di rame del laminato di alluminio. Il calore viene trasferito dai componenti allo strato di tracce, passa attraverso lo strato intermedio di interfaccia termica isolante e viene quindi condotto allo strato di base in alluminio.
Assemblaggio su un solo lato con circuiti stampati in alluminio a doppia traccia
L’assemblaggio su un solo lato con circuiti stampati in alluminio a doppia traccia presenta due strati di traccia e strati isolanti. Il calore viene trasferito dai componenti al primo strato di traccia, quindi al primo strato isolante, al secondo strato di traccia, al secondo strato isolante e infine allo strato di alluminio.
Assemblaggio su entrambi i lati con circuiti stampati in alluminio a doppia traccia
A volte, il posizionamento dei componenti su un solo lato dei circuiti stampati in alluminio non soddisfa i requisiti. I circuiti stampati in alluminio possono essere progettati per il montaggio su entrambi i lati. In questa configurazione laminata, le tracce sia sullo strato superiore che su quello inferiore devono attraversare il substrato in alluminio. Poiché l’alluminio è un ottimo conduttore, i fori passanti richiedono un trattamento isolante, come il riempimento con resina isolante attorno ai fori stessi. Il calore generato dai componenti viene trasferito dai componenti allo strato di tracce, quindi allo strato isolante e infine al substrato di alluminio intermedio.
Principio dei circuiti stampati in alluminio:
I circuiti stampati in alluminio garantiscono un’efficiente dissipazione del calore e l’integrazione dei circuiti grazie a una struttura a tre strati:
Strato del circuito: i dispositivi di potenza montati in superficie (ad es. MOSFET, IGBT) trasportano direttamente i segnali elettrici.
Strato isolante: utilizza materiali isolanti altamente termoconduttivi (ad esempio adesivi termici, polimeri riempiti di ceramica) per trasferire rapidamente il calore generato dai componenti al substrato metallico, fornendo al contempo isolamento elettrico.
Strato di base metallico: tipicamente substrato in alluminio o rame, che dissipa il calore tramite conduzione termica all’ambiente esterno (ad esempio dissipatori di calore, involucri o aria), formando un percorso di dissipazione del calore.
Percorso di dissipazione del calore:
Il dispositivo genera calore → Lo strato isolante conduce il calore → Lo strato di base metallico dissipa il calore → Ambiente esterno
(Punto chiave: lo strato isolante deve bilanciare l’elevata conducibilità termica con le proprietà di isolamento elettrico)
Confronto delle prestazioni con i materiali convenzionali
| Dimensione di confronto | circuiti stampati in alluminio | FR-4 (scheda tradizionale in fibra di vetro) | Circuiti ceramici a film spesso |
| Conducibilità termica | Resistenza termica estremamente bassa (elevata conducibilità termica) | Elevata resistenza termica (bassa conducibilità termica) | Conducibilità termica moderata, ma elevata fragilità |
| Proprietà meccaniche | Eccellenti (resistente agli urti, resistente alla flessione) | Normali (soggetto a danni causati dall’umidità e deformazioni) | Altamente fragile (si rompe facilmente) |
| Adattabilità al processo | Perfettamente adatto per SMT | Adatto per SMT ma con dissipazione del calore limitata | Richiede processi specializzati, con conseguenti costi elevati. |
| Costo e volume | Ridurre il numero di dissipatori di calore per abbassare i costi hardware | Richiede un design aggiuntivo per la gestione termica; ingombrante | Costi elevati dei materiali, vincoli di volume |
Vantaggi distintivi dei circuiti stampati in alluminio
Conformità ambientale
Conforme alla direttiva RoHS (Restriction of Hazardous Substances Directive), privo di piombo e alogeni, soddisfa gli standard ambientali globali.
Compatibilità con il processo SMT
Elevata planarità superficiale, adatto al posizionamento automatizzato, migliora l’efficienza produttiva.
Eccellente resistenza alle alte temperature, resiste alle temperature di saldatura a rifusione (tipicamente ≥260 °C).
Ottimizzazione della gestione termica
Trattamento di diffusione termica: disperde uniformemente il calore attraverso il substrato metallico, prevenendo il surriscaldamento localizzato e riducendo le temperature del modulo del 10-30%.
Durata di vita prolungata: ogni riduzione di 10 °C della temperatura raddoppia approssimativamente la longevità del dispositivo (modello di Arrhenius).
Densità di potenza migliorata: i requisiti di gestione termica ridotti consentono una spaziatura più stretta dei componenti, aumentando la potenza erogata per unità di superficie.
Ottimizzazione dei costi e dei volumi
Semplificazione dell’hardware: elimina i dissipatori di calore, i materiali di interfaccia termica (TIM), ecc., riducendo i costi della distinta base.
Fattore di forma compatto: spessore minimo di 0,5 mm, adatto a progetti con spazi limitati (ad esempio, illuminazione a LED, moduli di alimentazione).
Semplificazione dell’assemblaggio: la riduzione delle fasi di assemblaggio diminuisce la manodopera e il tempo necessari.
Ottimizzazione dell’integrazione dei circuiti
Integrazione dei circuiti di alimentazione e controllo: integra circuiti di alimentazione ad alta tensione con circuiti di controllo a bassa tensione su un unico substrato, riducendo al minimo le interferenze di segnale.
Design modulare: supporta moduli multi-chip (MCM), migliorando l’integrazione del sistema.
Resistenza meccanica
Resistente agli urti e alle vibrazioni, adatto ad ambienti difficili come le applicazioni automobilistiche e aerospaziali.
Quando si sostituiscono i substrati ceramici, resiste a sollecitazioni meccaniche più elevate, riducendo i rischi di rottura.
Campi di applicazione dei circuiti stampati in alluminio
Illuminazione a LED: gli apparecchi di illuminazione a LED generano un calore notevole durante il funzionamento. I circuiti stampati in alluminio dissipano efficacemente questo calore, garantendo prestazioni stabili e una maggiore durata. Di conseguenza, sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni di illuminazione a LED.
Moduli di potenza: anche i moduli di potenza generano un calore notevole durante il funzionamento. I circuiti stampati in alluminio offrono un’eccellente dissipazione termica, garantendo la stabilità e l’affidabilità dei moduli di potenza.
Elettronica automobilistica: i sistemi elettronici automobilistici devono affrontare condizioni ambientali difficili caratterizzate da temperature elevate, umidità e vibrazioni. I circuiti stampati in alluminio, grazie alla loro superiore conduttività termica e stabilità, rappresentano la scelta ideale per il settore dell’elettronica automobilistica.
