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PCB con substrato metallico nella progettazione di sistemi LED
I PCB con substrato metallico per LED rappresentano una soluzione ampiamente utilizzata nei sistemi di illuminazione LED ad alte prestazioni grazie alle loro eccellenti capacità di dissipazione termica. Durante la progettazione di un PCB con substrato metallico per LED è fondamentale considerare numerosi aspetti elettrici, termici e costruttivi che possono influenzare affidabilità, sicurezza e prestazioni del prodotto finale.
In questo approfondimento analizziamo i principali fattori da valutare nella progettazione di circuiti stampati per illuminazione LED professionale.
Lo strato dielettrico nei PCB con substrato metallico per LED
1. Composizione e proprietà generali
Come è noto, l’isolamento tra il substrato metallico e lo strato di rame viene ottenuto mediante un sottile strato di materiale dielettrico.
La composizione esatta di questo strato non viene generalmente fornita dal produttore.
Tra i materiali più utilizzati per la realizzazione dello strato dielettrico troviamo le resine epossidiche, la cui conducibilità termica viene incrementata attraverso l’aggiunta di materiali di riempimento (filler).
Tra i filler maggiormente impiegati troviamo:
- Allumina (Al₂O₃)
- Nitruro di Boro (BN)
- Ossido di Berillio (BeO)
L’Allumina rappresenta la soluzione più diffusa grazie al buon compromesso tra costo, sicurezza e conducibilità termica.
Ultimamente, per ridurre i costi della componente ceramica, vengono utilizzati materiali derivanti da altre lavorazioni industriali come:
- Caolino
- Talco
- Steatite
Se non si conosce con precisione la composizione dello strato dielettrico, è sconsigliato effettuare tagli o forature del PCB per evitare l’inalazione di polveri potenzialmente nocive.
2. Proprietà elettriche del dielettrico
Poiché il dielettrico è costituito da una miscela di resina e polveri ceramiche, la costante dielettrica finale assume un valore intermedio che dipende dalle proporzioni della miscela utilizzata.
3. Capacità che si forma tra gli strati conduttori
Lo strato di rame e quello di alluminio, separati dal dielettrico, formano un condensatore a facce piane e parallele.
Per ottenere dati affidabili è opportuno misurare la capacità di una porzione nota di PCB e ricavare il valore reale della costante dielettrica del materiale utilizzato.
4. Effetti del layout e della fotoincisione
Riprendendo quanto già analizzato nello studio relativo alla determinazione degli spessori del laminato di un PCB, è possibile osservare come il processo di fotoincisione generi margini appuntiti lungo le piste in rame.
Come noto, la massima densità di carica elettrica si concentra nelle zone caratterizzate da un ridotto raggio di curvatura.
In prossimità di tali punti il campo elettrico raggiunge valori elevati, aumentando il rischio di scariche attraverso il dielettrico sottostante.
5. Effetti probabilistici e difetti del dielettrico
Eventuali difetti di omogeneità del dielettrico, come cavità o una serie di cavità, possono trasformarsi in punti di innesco per scariche elettriche.
La riduzione dell’area di copertura in rame può migliorare la probabilità di superare i test di isolamento, compatibilmente con le esigenze di dissipazione termica.
6. Correnti di dispersione verso il conduttore di Terra
Le correnti di dispersione assumono particolare rilevanza nelle applicazioni di illuminazione stradale, dove non sempre è garantita la presenza di un efficace collegamento di terra.
Il valore di rilascio per la corrente alternata a 50 Hz è fissato in 10 mA, Tale limite rappresenta la massima corrente che potrebbe attraversare il corpo umano in caso di contatto con un apparecchio non correttamente collegato a terra.
Calcolando il valore della corrente di dispersione causato da un PCB con substrato metallico per LED con strato dielettrico d=100μm, Area totale di A=400×100mm2, tensione di linea applicata 500Veff supponiamo inoltre che l’area della copertura in Rame sia del 25%.
7. Considerazioni relative alle scariche elettrostatiche
Le scariche elettrostatiche possono essere applicate in modalità diretta o indiretta.
Nel caso di scarica diretta, il generatore ESD può essere modellato come un condensatore caricato a 8000 VDC che si scarica direttamente sui terminali del modulo LED, secondo lo schema di fig.6.
La capacità Cd+ si caricherà per trasferimento di carica diretto con tutta la carica presente nel condensatore di test da 150pF.
La tensione cui si porta il condensatore Cd è facilmente calcolabile se si suppone che i LED non interferiscano molto con il procedimento di trasferimento della carica e che tutto il circuito in rame arrivi a caricarsi allo stesso potenziale. Con una tensione così se la serie di LED è abbastanza lunga (140-160 LED in serie) la capacità parassita protegge la serie di LED dalle sovracorrenti prodotte per scarica elettrostatica.
Si ipotizza sempre per questa valutazione che il circuito di terra sia funzionante, diversamente il problema non si pone.
Dimensionamento del rame
Per dimensionare correttamente lo strato di rame nei PCB con substrato metallico per LED è opportuno seguire una procedura strutturata:
- Valutare il valore reale della costante dielettrica del materiale utilizzato.
- Utilizzare l’area minima di rame compatibile con le esigenze di dissipazione termica.
- Calcolare la capacità parassita e la conseguente corrente di dispersione.
- Verificare il comportamento del circuito in presenza di scariche elettrostatiche.
- Eseguire le prove di isolamento e resistenza di isolamento per verificare l’integrità dello strato dielettrico.
Nota: la normativa prevede una resistenza di isolamento minima di 2MΩ, questo è un valore molto basso per un qualunque PCB, normalmente si ottengono valori superiori alla decina di GΩ, anche per PCB molto estesi.
Articolo a cura di: Gabbi Paolo
