Quando il circuito stampato e il sistema di dissipazione devono essere progettati come un unico componente
In un circuito destinato ad applicazioni RF e ad alta potenza, gestire separatamente la parte elettronica e quella termica può non essere sufficiente.
La densità dei collegamenti, le frequenze di lavoro, la potenza dissipata e la necessità di mantenere stabile il comportamento del dispositivo richiedono spesso una soluzione nella quale PCB e dissipatore siano progettati e prodotti come un unico sistema.
È il caso di questo progetto realizzato da High Tech Elettronica: un circuito stampato RF a 8 strati, costruito con materiali ibridi e accoppiato a una piastra tridimensionale ricavata da rame pieno.
La difficoltà non dipende da una singola caratteristica, ma dalla combinazione di più lavorazioni avanzate:
– stack-up ibrido con Rogers RO4003C e Isola 370HR;
– base meccanica e termica in rame pieno;
– tre torrette monolitiche portate quasi a filo della superficie del PCB;
– oltre 3.000 fori complessivi;
– quasi 3.000 vias filled and capped;
– back drilling selettivo con preservazione del collegamento a Layer 7;
– copper coin integrato;
– requisiti produttivi e di controllo IPC Classe 3.
Il risultato è un assieme compatto nel quale prestazioni elettriche, dissipazione termica e precisione meccanica sono strettamente collegate.
Il plate: da un blocco di rame da 6,75 mm a una geometria tridimensionale
Il supporto non è una normale piastra metallica tagliata e forata. È stato ricavato da rame pieno Cu-ETP EN 13601 CW004A, partendo da uno spessore massimo di 6,75 mm.
Attraverso fresature di precisione controllate sull’asse Z sono state realizzate zone con quote differenti, tasche, forature, svasature, filettature e superfici localmente assottigliate fino a 0,76 ± 0,05 mm.
La lavorazione ha permesso di mantenere le tre torrette centrali come parte dello stesso corpo di rame. Non sono elementi riportati, saldati o fissati successivamente: plate, rilievi e torrette formano un unico componente monolitico.
Questa scelta costruttiva offre vantaggi importanti:
– continuità del percorso termico;
– assenza di interfacce meccaniche tra torretta e plate;
– maggiore robustezza;
– migliore ripetibilità delle quote;
– posizionamento preciso rispetto alle aperture del PCB;
– riduzione delle resistenze termiche dovute a giunzioni aggiuntive.
La piastra è stata infine sottoposta a finitura dorata, che protegge il rame dall’ossidazione e rende la superficie più stabile nel tempo. Il beneficio termico principale resta però legato alla massa di rame e alla geometria monolitica, non al sottile rivestimento superficiale.
Dati principali del plate
| Caratteristica | Specifica |
| Materiale | Rame Cu-ETP, EN 13601 CW004A |
| Ingombro principale | Circa 94 × 94 mm |
| Spessore massimo | 6,75 mm |
| Zone localmente assottigliate | 0,76 ± 0,05 mm |
| Torrette centrali | 3, ricavate dal pieno |
| Altezza indicativa dei rilievi | 1,75 mm |
| Lavorazioni | Fresature, tasche, forature, svasature e filettature |
| Finitura finale | Doratura |
Il dissipatore viene ricavato da rame pieno, con tasche, forature e tre torrette appartenenti allo stesso corpo monolitico
Lavorazione del Plate con ausilio di macchine Laser a profondità controllata
Le tre torrette non sono saldate o riportate: vengono mantenute durante la lavorazione dello stesso blocco di rame
Torrette quasi a filo del PCB: un percorso termico diretto
Le tre torrette attraversano altrettante aperture ricavate nel circuito stampato e arrivano quasi a filo della sua superficie superiore.
Questo dettaglio richiede il controllo simultaneo di:
– spessore finito del multilayer;
– altezza residua delle torrette;
– tolleranza delle aperture nel PCB;
– planarità dell’assieme;
– posizione reciproca tra plate e circuito;
– spessore delle finiture superficiali.
Anche un disallineamento ridotto potrebbe impedire il corretto accoppiamento oppure generare una differenza di quota indesiderata nella zona destinata ai dispositivi di potenza.
La soluzione crea un percorso molto corto tra la zona attiva e la massa di rame sottostante. Rispetto a una dissipazione affidata esclusivamente ai thermal vias, le torrette monolitiche consentono di trasferire il calore verso il plate attraverso una sezione di rame pieno e continua.
Percorso termico previsto: dispositivo di potenza/RF → torretta monolitica → plate in rame pieno → sistema dissipante.
PCB e plate sono progettati come un unico sistema elettrico, meccanico e termico
Un PCB RF a 8 strati con stack-up ibrido
Il circuito presenta uno stack-up a 8 strati con spessore finito nominale di 1,767 mm, solder mask incluso, e tolleranza indicata del ±10%.
Per rispondere alle esigenze elettriche del progetto sono stati combinati materiali differenti:
– Rogers RO4003C da 0,508 mm nella sezione RF;
– Isola 370HR per gli altri dielettrici e prepreg;
– rame esterno TOP da 50 µm di partenza;
Costruzione ibrida a 8 strati con spessore finito nominale di 1,767 mm
– rame da 35 µm sugli strati interni;
– rame BOTTOM da 35 µm.
Il Rogers RO4003C è impiegato nelle applicazioni ad alta frequenza grazie al controllo delle proprietà dielettriche. Isola 370HR permette invece di completare una struttura multilayer robusta e adatta a requisiti industriali avanzati.
La coesistenza di materiali con caratteristiche differenti rende più delicati laminazione, compensazione dimensionale, registrazione degli strati e controllo dello spessore finale.
Stack-up sintetico
| Sezione | Materiale/spessore principale |
| Layer 1 – TOP | Rame 50 µm |
| Dielettrico RF | Rogers RO4003C, 0,508 mm |
| Layer 2–7 | Rame 35 µm con dielettrici/prepreg Isola 370HR |
| Layer 8 – BOTTOM | Rame 35 µm |
| Spessore PCB finito | 1,767 mm ±10% |
| Finitura PCB | ENIG secondo IPC-4552 |
La finitura ENIG del circuito non va confusa con la doratura applicata al plate: si tratta di due elementi distinti, prodotti e trattati secondo le rispettive esigenze.
3.051 fori in un’area di circa 94 × 94 mm
Uno degli aspetti più significativi è la densità della foratura. Il progetto comprende 3.051 fori complessivi con diametri e funzioni differenti.
Di questi, 2.978 sono vias riempiti e capped, con diametri nominali compresi tra 0,200 e 0,500 mm.
Il riempimento e la planarizzazione sono richiesti secondo IPC-4761 Type VII, Classe 3. Nel Type VII il via viene riempito e successivamente metallizzato sulla superficie, ottenendo una chiusura planare adatta a costruzioni ad alta densità e a requisiti di elevata affidabilità.
Questa lavorazione consente di:
– evitare cavità aperte nelle aree critiche;
– ottenere superfici planari;
– migliorare la gestione delle aree pad-on-via;
– ridurre il rischio di intrappolamento di residui;
– rendere più stabile il successivo processo di assemblaggio.
Distribuzione principale dei vias riempiti e capped
| Diametro nominale | Quantità | Back drilling |
| 0,200 mm | 165 | No |
| 0,201 mm | 69 | Sì |
| 0,250 mm | 152 | No |
| 0,300 mm | 2.288 | No |
| 0,301 mm | 78 | Sì |
| 0,302 mm | 67 | No |
| 0,500 mm | 159 | No |
| Totale vias filled and capped | 2.978 | 147 back drilled |
BOX TECNICO
La presenza di quasi 3.000 vias filled and capped non è soltanto un dato numerico. Richiede controllo del riempimento, planarizzazione uniforme, metallizzazione finale e verifica della continuità elettrica su tutta la superficie del circuito.
L’elevata densità di foratura richiede riempimento, planarizzazione e metallizzazione uniformi
Back drilling controllato fino a Layer 7
Il progetto richiede il back drilling di 147 vias passanti:
– 69 vias con foro nominale da 0,201 mm;
– 78 vias con foro nominale da 0,301 mm.
L’operazione deve rimuovere la porzione inutilizzata del barrel preservando il collegamento elettrico allo strato 7.
Nel back drilling la profondità non può essere gestita come una semplice foratura meccanica. È necessario considerare lo stack-up reale, le tolleranze di laminazione, la posizione degli strati e la profondità residua ammessa.
La rimozione dello stub riduce le discontinuità che, alle alte frequenze, possono influenzare l’integrità del segnale. Sul presente circuito questa lavorazione è resa ancora più delicata dal diametro ridotto dei vias e dalla costruzione ibrida a 8 strati.
Il back drilling elimina la porzione inutilizzata del barrel senza interrompere la connessione elettrica utile
Copper coin e continuità elettrica con la base
Il progetto prevede inoltre un copper coin da 5,75 × 5,75 mm nella zona superiore indicata dal disegno costruttivo.
Il copper coin crea una massa localizzata di rame in corrispondenza di una zona ad alta densità termica, offrendo un ulteriore percorso a bassa resistenza termica.
Le note produttive richiedono anche la continuità elettrica tra il BOTTOM del PCB e la base in rame. Il plate, quindi, non svolge soltanto una funzione meccanica e dissipante: entra nella gestione complessiva dei riferimenti elettrici e RF dell’assieme.
Integrare nello stesso progetto copper coin, torrette monolitiche, migliaia di vias e base di rame significa coordinare lavorazioni che normalmente vengono analizzate separatamente.
Tolleranze meccaniche e controlli richiesti
Quando un multilayer deve combaciare con rilievi tridimensionali ricavati dal pieno, la precisione del profilo diventa parte della funzionalità del prodotto.
Per questo progetto sono stati definiti:
– tolleranza sul profilo fresato del PCB: 0,10 mm;
– larghezza critica indicata: 0,66 ±0,02 mm;
– bow e twist massimo: 0,75%
– spessore finito del PCB: 1,767 mm ±10%
– controllo delle quote del plate mediante modello 3D;
– eliminazione di bave e spigoli vivi;
– verifica della posizione di tasche, torrette, filettature e forature.
Il circuito è richiesto secondo IPC-6011 e IPC-6012 Classe 3, Type 3, con plated through holes conformi ai requisiti di Classe 3.
Sono inoltre previsti test di continuità e isolamento secondo IPC-9252.
La Classe 3 è destinata a prodotti nei quali prestazioni continuative, affidabilità elevata e assenza di interruzioni operative sono requisiti essenziali. In questo contesto non è sufficiente che il PCB sia elettricamente funzionante: processo, metallizzazione, fori, registrazione e finiture devono essere mantenuti entro criteri più severi.
Perché questo progetto è particolarmente difficile
La complessità non è rappresentata soltanto dal numero degli strati o dal materiale RF. Il vero elemento distintivo è la necessità di far lavorare insieme tecnologie differenti con tolleranze tra loro dipendenti.
| Criticità | Conseguenza produttiva |
| Stack-up ibrido Rogers/Isola | Laminazione e compensazioni dimensionali più delicate |
| Plate da rame pieno | Fresature profonde, zone sottili e controllo delle deformazioni |
| Torrette monolitiche | Quota Z da coordinare con lo spessore finito del PCB |
| 2.978 vias filled and capped | Riempimento, planarizzazione e metallizzazione uniformi |
| 147 vias back drilled | Profondità controllata con connessione a Layer 7 preservata |
| Copper coin | Integrazione meccanica, elettrica e termica localizzata |
| Continuità PCB–plate | Controllo del collegamento elettrico con la base di rame |
| IPC Classe 3 | Requisiti più severi per affidabilità e controlli |
Ogni variazione nello spessore del PCB influisce sull’affioramento delle torrette. Ogni errore di registrazione può compromettere l’allineamento con il plate. Ogni irregolarità nella chiusura dei vias può influire sulle superfici di montaggio. Ogni errore di profondità nel back drilling può lasciare uno stub eccessivo oppure danneggiare il collegamento utile.
Per questo motivo un progetto simile deve essere gestito come un unico sistema elettro-meccanico e termico, non come la somma di un PCB e di un dissipatore acquistati separatamente.
Il risultato: PCB e dissipatore diventano un unico sistema
L’assieme finito mostra la precisione raggiunta: il profilo del circuito segue quello del plate, le aperture combaciano con le tasche e le tre torrette raggiungono quasi esattamente il piano superiore del PCB.
La massa di rame sottostante distribuisce il calore, mentre torrette e copper coin creano percorsi preferenziali nelle zone più sollecitate. Il multilayer ibrido gestisce contemporaneamente segnali RF, alimentazioni e interconnessioni ad alta densità.
La finitura dorata del plate e l’ENIG del PCB proteggono le rispettive superfici, mentre i requisiti IPC Classe 3 e i test elettrici completano il controllo dell’affidabilità.
Questo caso dimostra che anche geometrie molto particolari possono essere industrializzate quando progettazione, selezione dei materiali, lavorazioni meccaniche e produzione del PCB vengono coordinate fin dall’inizio.
High Tech Elettronica per PCB RF, copper base e costruzioni speciali
High Tech Elettronica affianca aziende e progettisti nella realizzazione di circuiti stampati ad alta complessità, dalla verifica iniziale dei dati fino alla produzione e ai controlli finali.
Possiamo valutare progetti che richiedono:
– PCB multilayer e HDI;
– materiali RF e stack-up ibridi;
– Rogers, Isola e laminati High Tg;
– copper coin e soluzioni di dissipazione integrate;
– vias filled and capped;
– back drilling;
– basi metalliche lavorate su misura;
– requisiti IPC Classe 2 e Classe 3;
– analisi DFM e ottimizzazione della costruzione.
L’obiettivo non è soltanto produrre il circuito, ma individuare una costruzione industrializzabile che mantenga prestazioni elettriche, affidabilità e compatibilità meccanica con il sistema finale.
Devi realizzare un PCB ad alta complessità?
Per una prima valutazione è possibile inviare:
– file Gerber o ODB++;
– stack-up richiesto;
– disegno meccanico e modello 3D;
– specifiche dei materiali;
– tabella delle forature;
– requisiti termici ed elettrici;
– quantità della campionatura e della produzione.
Il nostro ufficio tecnico analizzerà tecnologia, materiali, tolleranze e lavorazioni speciali, fornendo una valutazione tecnica e commerciale basata sulle reali esigenze del progetto.
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