Porozumění PCB s hliníkovým substrátem: typy a výhody

Desky plošných spojů (DPS) jsou základními součástkami téměř všech elektronických zařízení. Pro lepší pochopení DPS vám tato příručka představí typy hliníkových substrátů DPS a běžné překážky při kopírování DPS. Pokud vás DPS nebo obsah tohoto článku zajímají, neváhejte pokračovat ve čtení.

Čím vynikají desky plošných spojů s hliníkovým substrátem?

Dříve jsme hovořili o výhodách a nevýhodách keramických desek plošných spojů (PCB) a poznamenali jsme, že jednou z nevýhod je jejich vysoká cena a křehkost. Standardní desky plošných spojů ze skelných vláken postrádají dobrý odvod tepla, zatímco keramické desky plošných spojů jsou stabilní a odolné vůči deformaci v prostředí s vysokými teplotami a vysokou vlhkostí, ale jsou drahé a používají se hlavně ve špičkových produktech. Pokud váš produkt není špičkový, jako jsou například velkoplošné, vysoce výkonné LED světelné desky , které vyžadují dobrý odvod tepla, ale jsou cenově dostupné, existuje materiál, který by splňoval požadavky?

Odpověď zní ano, a právě zde přicházejí na řadu hliníkové desky plošných spojů. Hliník, jakožto kov s vodivostí, se může zdát jako zvláštní volba pro materiál desek plošných spojů , ale hliníkové desky plošných spojů se skládají ze tří vrstev: měděné fólie, izolační vrstvy a vrstvy kovového hliníku. Vzhledem k tomu, že existuje izolační vrstva, lze pro kovovou vrstvu použít i jiné materiály než hliník? Materiály jako měď, nerezová ocel, železo, křemíková ocel atd.? Při výběru kovového substrátu je třeba zvážit faktory, jako je koeficient tepelné roztažnosti, tepelná vodivost, pevnost, tvrdost, hmotnost, stav povrchu a cena.

Obecně, s ohledem na cenu a technický výkon, je hliník ideální volbou. Mezi běžné volby pro hliníkové desky patří 6061, 5052, 1060 atd. Pokud jsou vyšší požadavky na tepelnou vodivost, mechanický výkon, elektrický výkon a další speciální vlastnosti, lze použít také měď, nerezovou ocel, železo a křemíkovou ocel.

Běžné v produktech LED osvětlení mají desky plošných spojů s hliníkovým substrátem dvě strany: jednu bílou stranu pro pájení LED kolíků a druhou stranu má přírodní hliníkovou barvu, obvykle potaženou tepelnou pastou pro kontakt s tepelně vodivou částí. Používají se především v LED svítidlech, audio zařízeních, energetických zařízeních atd., přičemž hlavní výhodou je rychlé vedení tepla a vynikající výkon při odvodu tepla.

Ve srovnání s tradičním FR-4 mohou hliníkové desky plošných spojů minimalizovat tepelný odpor a poskytují vynikající tepelnou vodivost; ve srovnání s keramickými substráty mají vynikající mechanické vlastnosti.

 Typy hliníkových substrátů PCB

1. Flexibilní hliníkové substráty : Jedním z nejnovějších vývojů v oblasti IMS materiálů jsou flexibilní dielektrika. Tyto materiály nabízejí vynikající elektrickou izolaci, flexibilitu a tepelnou vodivost. Při aplikaci na materiály jako 5754 nebo podobný flexibilní hliník je lze tvarovat do různých tvarů a úhlů, čímž se eliminuje potřeba drahých spojovacího materiálu, kabelů a konektorů. Ačkoli jsou tyto materiály flexibilní, jsou navrženy tak, aby se ohnuly na místo a zůstaly v dané poloze.

2. Hybridní hliníkové substráty : V „hybridní“ struktuře IMS jsou netepelně působící látky nezávisle zpracovány a poté spojeny s hliníkovým substrátem pomocí tepelného materiálu. Nejběžnější struktura se skládá ze 2 nebo 4 vrstev dílčích komponent vyrobených z tradičního FR-4, které jsou poté spojeny s hliníkovým základem pomocí tepelně vodivého dielektrika. To může pomoci s odvodem tepla, zlepšit tuhost a působit jako stínění. Mezi další výhody patří:

• • Nižší náklady než konstrukce všech tepelných materiálů.
  • Lepší tepelný výkon než standardní produkty FR-4.
  • Eliminace drahých chladičů a souvisejících montážních kroků.
  • Vhodné pro RF aplikace vyžadující PTFE povrchové vrstvy pro RF ztrátové charakteristiky.
  • Použití okének součástí z hliníku pro umístění součástí s průchozími otvory, což umožňuje konektorům a kabelům procházet deskou při pájení oblých rohů, aby se vytvořilo těsnění, bez potřeby speciálních podložek nebo jiných drahých adaptérů.

3. Vícevrstvé hliníkové substráty : Na trhu s vysoce výkonnými napájecími zdroji jsou vícevrstvé desky plošných spojů IMS vyrobeny z více vrstev tepelného dielektrika. Tyto struktury mají jednu nebo více vrstev obvodů zabudovaných v dielektriku se slepými průchody používanými jako tepelné průchody nebo signálové cesty. Zatímco jednovrstvé konstrukce jsou dražší a méně účinné při přenosu tepla, poskytují jednoduché a účinné řešení odvodu tepla pro složitější konstrukce.

4. Hliníkové substráty s průchozími otvory : V nejsložitějších strukturách může vrstva hliníku tvořit „jádro“ vícevrstvých tepelných struktur. Před laminací je hliník předem pokoven a vyplněn dielektrikem. Tepelné materiály nebo dílčí komponenty lze laminovat na obě strany hliníku pomocí tepelně lepicí vrstvy. Po laminaci je hotová součástka podobná tradičnímu vícevrstvému ​​hliníkovému substrátu provrtanému hliníkem. Pokovené průchozí otvory procházejí mezerami v hliníku, aby se zachovala elektrická izolace. Alternativně mohou měděná jádra umožnit přímé elektrické spojení i izolované průchozí otvory.

Výhody hliníkových substrátů PCB

Kromě vynikajícího odvodu tepla má PCB s hliníkovým substrátem následující výhody:

• Soulad s environmentálními požadavky RoHS.
• Vhodnější pro proces SMT.
• Vyšší proudová zatížitelnost.
• Efektivní řešení difúze tepla v návrhu obvodu, snížení provozní teploty modulu, prodloužení životnosti, zvýšení hustoty výkonu a zlepšení spolehlivosti.
• Snížení montáže chladičů a dalšího hardwaru (včetně materiálů tepelného rozhraní), zmenšení velikosti produktu, snížení nákladů na hardware a montáž a optimalizace kombinace silových obvodů a řídicích obvodů.
• Výměna křehkých keramických substrátů pro lepší mechanickou odolnost.

Ve srovnání s běžnými deskami FR-4 má PCB s hliníkovým substrátem hlavní výhodu v tom, že může přenášet vyšší proud. Stejně jako FR-4 používají vrstvy obvodu jako vodiče pro připojení měděnou fólii. Ve srovnání s tradičním FR-4, se stejnou tloušťkou a šířkou čáry, může PCB s hliníkovým substrátem přenášet vyšší proud.

Základní technologie hliníkového substrátu PCB spočívá v materiálu mezilehlé izolační vrstvy, který plní především funkce lepení, izolace a vedení tepla. Izolační vrstva hliníkového substrátu PCB je největší tepelnou bariérou ve struktuře výkonových modulů. Čím lepší je tepelná vodivost izolační vrstvy, tím více přispívá k difúzi tepla vznikajícího při provozu zařízení, což zase vede ke snížení provozní teploty zařízení, dosažení vyššího výkonového zatížení modulu, zmenšení velikosti, prodloužení životnosti a zvýšení výkonu. Při splnění požadavku na dobrou tepelnou vodivost by měl mít také schopnost izolace vysokého napětí.

Rozdíly mezi hliníkovou základnou a deskou FR-4

Ztráta tepla

Největší rozdíl mezi laminátem plátovaným mědí (CCL) na bázi hliníku a konvenčním FR-4 CCL spočívá v jejich vlastnostech rozptylu tepla. Například ve srovnání s FR-1.5 CCL o tloušťce 4 mm je tepelný odpor CCL na bázi hliníku 20-22 ℃ u prvního a 1.0-2.0 °C u druhého, což je výrazně nižší.

Koeficient tepelné roztažnosti

Desky FR-4 obvykle trpí problémy s tepelnou roztažností, kdy vysoké teploty mohou způsobit změny v tloušťce a rovinnosti, zejména ve směru tloušťky, což ovlivňuje kvalitu pokovených otvorů a obvodů. To je způsobeno především rozdílnými koeficienty tepelné roztažnosti ve směru tloušťky materiálu: měď má koeficient 17×10^-6 cm/cm℃, zatímco základní materiál desky FR-4 je 110×10^-6 cm/cm ℃, což může snadno vést k účinkům tepelné roztažnosti. Koeficient tepelné roztažnosti desek na bázi hliníku je 50×10^-6 cm/cm℃, je menší než u běžných desek FR-4 a blíží se koeficientu měděné fólie. To pomáhá zajistit kvalitu a spolehlivost desek plošných spojů.

Hlavní aplikace

Desky FR-4 jsou vhodné pro obecný návrh obvodů a běžné elektronické produkty. Desky na bázi hliníku jsou vhodné pro obvody se speciálními požadavky, jako jsou silnovrstvé hybridní integrované obvody, odvod tepla pro silové obvody, chlazení součástek v obvodech, velkoplošné substráty, se kterými si keramické substráty neporadí, a obvody, kde běžné chladiče nedokážou vyřešit problémy se spolehlivostí.

Obrábění

Desky na bázi hliníku mají vysokou mechanickou pevnost a houževnatost, která je lepší než desky FR-4. Proto lze velkoplošné desky s plošnými spoji vyrábět na deskách na bázi hliníku a na takové podklady lze instalovat těžké komponenty.

Elektrický výkon

Ve srovnání s deskami FR-4 mají desky na bázi hliníku vyšší tepelnou vodivost, což vede k výraznému zvýšení proudové zatížitelnosti vodičů. To svědčí o vysoké tepelné vodivosti desek na bázi hliníku. Odvod tepla desek na bázi hliníku souvisí s tloušťkou jejich izolační vrstvy a tepelnou vodivostí. Tenčí izolační vrstvy mají za následek vyšší tepelnou vodivost desek na bázi hliníku (ale nižší odolnost proti napětí). Aby byla zajištěna výkonnost elektronických obvodů, musí některé součásti elektronických produktů zabránit elektromagnetickému záření a rušení. Desky na bázi hliníku mohou fungovat jako stínící desky pro odstínění elektromagnetických vln.

Izolační výkon

Za obecných podmínek je průrazné napětí desek na bázi hliníku určeno tloušťkou izolační vrstvy s průrazným napětím obecně kolem 500 V. Pokud potřebujete otestovat průrazné napětí hliníkové desky zářivky LED, stačí provést vysokonapěťový test na krytu vstupního portu. Hodnoty certifikace UL a CE by měly být 2500V a certifikace 3C by měla být kolem 3750V.