8 kroků k výrobě perfektní hliníkové desky plošných spojů

Hliníková deska plošných spojů existuje z jednoho důvodu: aby odváděla teplo z obvodu. Nahrazením izolačního jádra FR-4 kovovou základnou hliníková deska plošných spojů odvádí teplo od napájecích součástek a rozprostírá ho po desce, a proto se na ni spoléhají LED diody, napájecí zdroje a automobily. „Hliníková deska plošných spojů“ však popisuje vrstevnatou strukturu, která je jen tak dobrá, jako její nejslabší vrstva, a výrobní proces má kroky, které se na standardní lince FR-4 neobjevují. Tato příručka vás provede osmi kroky výroby hliníkové desky plošných spojů a poté vysvětlí dielektrickou vrstvu, která rozhoduje o tom, zda deska skutečně funguje – a konstrukční pravidla a vady, které oddělují dokonalou hliníkovou desku plošných spojů od selhání v poli.

1. Co je hliníková deska plošných spojů?

Hliníková deska plošných spojů (PCB) je deska s plošnými spoji s kovovým jádrem, která je složena ze tří spojených vrstev: vrchní měděné vrstvy , tepelně vodivého dielektrika uprostřed a hliníkové základní desky pod ní. Proud protéká mědí, dielektrikum ji elektricky izoluje a zároveň vede teplo a hliník funguje jako vestavěný rozvaděč tepla a chladič.

Proč designéři volí hliník před FR-4

Standardní FR-4 je tepelný izolant, takže se teplo z napájecího zařízení hromadí a zkracuje životnost součástek. Přechod na hliníkovou základnu – srdce desky plošných spojů s kovovým jádrem – poskytuje teplu nízkoodporovou cestu ven a zároveň zvyšuje mechanickou tuhost a rozměrovou stabilitu. Nevýhodou je, že hliníkové desky plošných spojů jsou obvykle jednovrstvé a používají odlišnou výrobní cestu, kterou osm kroků níže zkonkretizuje. Pro podrobnější informace o konstrukci se podívejte, co je hliníková deska plošných spojů.

2. 8 kroků k výrobě hliníkové desky plošných spojů

Tento proces promění mědí potažený hliníkový laminát v hotovou, testovanou desku. Každý krok má specifické vlastnosti kontroly kvality pro konstrukci s kovovým jádrem.

1. Výběr materiálu. Vyberte si hliníkový laminát s měděným povlakem – hmotnost mědi, typ a tloušťku dielektrika a hliníkovou slitinu a tloušťku – tak, aby odpovídal tepelným a elektrickým požadavkům.
2. Řezání na míru. Laminát nastříhejte nebo nařežte na pracovní velikost panelu a manipulujte s ním tak, abyste zabránili promáčknutí nebo poškrábání hliníku.
3. Vrtání. Vyvrtejte otvory pro součástky a montážní otvory; protože většina hliníkových desek plošných spojů je jednostranná, otvory nejsou pokoveny skrz kovovou základnu a vrtání je kontrolované, aby se zabránilo otřepům a poškození dielektrika.
4. Vzorování obvodů. Nalaminujte suchý fotorezist, exponujte ho skrz kresbu a vyvolejte ho tak, aby definoval měděný obvod.
5. Lept. Odleptejte obnaženou měď, abyste opustili obvod, a poté odstraňte rezist; kontrola leptání chrání jemné prvky a šířku stopy.
6. Pájecí maska. Naneste a vytvrdněte pájecí masku na měď, přičemž nechte kontaktní plošky odkryté a chraňte obvod.
7. Sítotisk (legenda). Vytiskněte legendu, označení a identifikátory součásti.
8. Povrchová úprava, profilování a testování. Naneste povrchovou úpravu (HASL, ENIG nebo OSP), frézujte desku do konečného obrysu a poté proveďte elektrické testování a kontrolu.

Krok, který lidem zakopne

Frézování a vrtání hliníku není jako frézování FR-4 – kov generuje teplo a otřepy, což vyžaduje správné nástroje a posuvy a dielektrikum nesmí být prasklé ani rozmazané v otvorech. Dokonalá hliníková deska plošných spojů závisí na správném provedení mechanických kroků (3 a 8) a manipulaci s dielektrikem, nejen na zobrazování obvodu.

3. Dielektrická vrstva: Kde se získává nebo ztrácí kvalita hliníkových desek plošných spojů

Jedinou vrstvou, která odděluje dobrou hliníkovou desku plošných spojů od té průměrné, je dielektrikum. Má dvě protichůdné funkce: elektricky izolovat měď od hliníku a vést teplo z mědi na hliník. Tyto funkce působí opačnými směry.

Kompromis mezi teplotou a napětím

Tepelná vodivost dielektrika – obvykle kolem 1–3 W/m·K, u prémiových materiálů vyšší – určuje, jak dobře jím teplo prochází, a je skutečným úzkým hrdlem, protože samotný hliník vede teplo mnohem lépe. Tenčí dielektrikum vede teplo lépe, ale odolává menšímu napětí , zatímco silnější dielektrikum lépe izoluje, ale více se zahřívá. Volba typu a tloušťky dielektrika je proto ústředním inženýrským rozhodnutím v jakékoli dielektrické vrstvě MCPCB a musí být sladěna se ztrátovým výkonem desky a jejím pracovním napětím. Pokud specifikujete dielektrikum pro danou aplikaci – ne volbou nejlevnějšího nebo nejtenčího – deska bude fungovat; pokud ho uděláte špatně, buď se přehřeje, nebo se porouchá.

Rodina desek plošných spojů s kovovým jádrem, do které hliníkové desky patří, byla oceněna v rozmezí 13–16 miliard dolarů a její růst je poháněn především LED osvětlením (přibližně 45 % poptávky) a automobilovou elektronikou (přibližně 30 %) – dvěma aplikacemi, které s elektrifikaci osvětlení a elektromobilů zvyšují objemy hliníkových desek plošných spojů.

„Na hliníkové desce je měď a kovová základna snadnou součástí – dielektrikum je místo, kde se teplo hromadí. Věnujte tam svou inženýrskou práci: vyberte dielektrikum pro napájení a napětí a deska si splní svou funkci.“

— inženýr výroby plošných spojů s kovovým jádrem

Odečítání tepelných čísel

Důležitá čísla se snadno porovnávají. FR-4 vede teplo přibližně 0.3 W/m·K ; dielektrikum hliníkové desky plošných spojů má součinitel tepla okolo 1–3 W/m·K (prémiová dielektrika dosahují ~5–12) a samotná hliníková základna má součinitel tepla okolo 150–200 W/m·K . Protože dielektrikum je zdaleka nejodolnější vrstvou v sadě, dominuje celkovému tepelnému odporu desky (vyjádřenému ve °C/W od spoje k základně). Proto tenčí dielektrikum s vyšší vodivostí snižuje teplotu napájecího zařízení – a proto příliš tenké dielektrikum, aby se dosáhlo tepelných čísel, nakonec obětuje průrazné napětí, které musí také poskytovat. Správná specifikace vyvažuje tyto dva parametry oproti skutečnému výkonu a provoznímu napětí desky.

4. Pravidla pro návrh hliníkových desek plošných spojů a běžné vady

Dobře vyrobená hliníková deska plošných spojů stále selže, pokud návrh ignoruje realitu konstrukce s kovovým jádrem. Několik pravidel předchází většině problémů.

Pravidla designu, na kterých záleží

• Udržujte měděné prvky a rozteče v rámci leptacích možností pro zvolenou hmotnost mědi.
• Udržujte mezeru mezi mědí a okrajem desky / montážními otvory, aby dielektrikum zachovalo izolaci napětí od hliníku.
• Součástky s nejvyšším rozptylem tepla umístěte tam, kde je cesta tepla k hliníku nejkratší.
• Od začátku si naplánujte obrys desky a montáž pro vedení vodičů a rozhraní chladiče.

Běžné vady, které je třeba navrhnout a kontrolovat

• Dielektrické poškození nebo rozmazání z vrtání/frézování, což ohrožuje izolaci.
• Otřepy na hliníku které ovlivňují uchycení a tepelné rozhraní.
• Delaminace mezi vrstvami v důsledku špatné laminace nebo tepelného namáhání.
• Snížené průrazné napětí z příliš tenkého nebo poškozeného dielektrika.
• Deformace z nerovnoměrného zpracování kovové základny.

Většina z nich souvisí s mechanickými kroky a volbou dielektrika, a proto se vedení s kovovým jádrem provozuje a kontroluje odlišně od vedení s FR-4 – poruchové režimy se nacházejí v kovu a dielektriku, nikoli v mědi.

5. Výroba hliníkových desek plošných spojů ve společnosti Highleap

Hliníkové desky jsou na naší lince s kovovým jádrem každodenní součástí výroby a kvalita pramení z toho, že dielektrikum a mechanické kroky jsou kritické. Ve společnosti Highleap vybíráme měděný hliníkový laminát podle vašich tepelných a napěťových požadavků, kontrolujeme vrtání a frézování kovu, abychom zabránili otřepům a poškození dielektrika, a před odesláním desky ověřujeme izolaci a povrchovou úpravu. Pro LED a osvětlení stavíme stejnou konstrukci vyladěnou na světelný výkon a odvod tepla, jakou používáme u našich hliníkových LED desek plošných spojů.

Pokud máte hliníkovou desku plošných spojů – pro LED osvětlení, napájení, pohon motoru nebo automobilový průmysl – zašlete nám návrh a údaje o výkonu a napětí a my vám doporučíme dielektrikum, potvrdíme pravidla návrhu a vyrobíme desku, která skutečně odvádí teplo.

Nabídku na hliníkovou desku plošných spojů

6. Nejčastější dotazy k hliníkovým deskám plošných spojů

Jaký je rozdíl mezi hliníkovou deskou plošných spojů a deskou plošných spojů s kovovým jádrem?

Hliníková deska plošných spojů (PCB) je nejběžnějším typem desky plošných spojů s kovovým jádrem (MCPCB). MCPCB je širší kategorie: kovová základna může být hliníková (nejběžnější a nejhospodárnější), měděná (vyšší tepelný výkon, ale dražší a těžší) nebo ocelová slitina. Každá hliníková deska plošných spojů je tedy MCPCB, ale ne každá MCPCB používá hliníkovou základnu.

Proč se výroba hliníkových desek plošných spojů liší od FR-4?

Kroky zobrazování obvodů jsou podobné, ale mechanické kroky se liší. Vrtání a frézování kovové základny generuje teplo a otřepy a vyžaduje odlišné nástroje a podávání; tepelně vodivý dielektrikum nesmí být prasklý ani rozmazaný do otvorů; a protože většina hliníkových desek plošných spojů je jednostranná, otvory nejsou pokoveny skrz kovovou základnu. Součástí procesu je i manipulace s panelem bez promáčknutí hliníku.

Proč je dielektrická vrstva v hliníkové desce plošných spojů tak důležitá?

Dielektrikum musí izolovat měď od hliníku a zároveň mezi nimi vést teplo, což si protiřečí. Tenčí dielektrikum vede teplo lépe, ale odolává menšímu napětí, takže jeho typ a tloušťka jsou přizpůsobeny ztrátovému výkonu a pracovnímu napětí desky – což je ústřední konstrukční rozhodnutí u desek s kovovým jádrem.

Jsou hliníkové desky plošných spojů jednovrstvé nebo vícevrstvé?

Většina hliníkových desek plošných spojů je jednovrstvá, s jednou vrstvou měděného obvodu přes dielektrikum a hliníkovou základnu. Pro složitější návrhy existují vícevrstvé hliníkové konstrukce, ale jsou méně běžné a jejich výroba je složitější.

Kde se používají hliníkové desky plošných spojů (PCB)?

Všude, kde je nutné odvádět teplo z kompaktní desky: LED osvětlení a moduly, napájecí zdroje a měniče, pohony motorů, automobilová elektronika a podobné aplikace s vysokou energetickou hustotou, kde by se FR-4 příliš zahříval.

Mohou být otvory pokoveny hliníkovou deskou plošných spojů?

Ve standardní jednostranné hliníkové desce plošných spojů nejsou otvory pokovené skrz kovovou základnu, protože hliník je spíše vodivým základem než vnitřní vrstvou. Konstrukce, které vyžadují pokovené průchozí otvory, používají různé konstrukce s kovovým jádrem nebo více vrstvami.

Jaké povrchové úpravy jsou k dispozici na hliníkových deskách plošných spojů?

Běžné povrchové úpravy jsou HASL, ENIG a OSP, volené pro pájitelnost, trvanlivost, rovinnost a cenu stejně jako u FR-4. ENIG vyhovuje požadavkům na jemné rozteče a ploché kontakty, zatímco HASL je ekonomický pro obecné práce.