8 trin til fremstilling af et perfekt aluminiums-PCB

Et aluminiums-printkort eksisterer af én grund: for at få varme ud af et kredsløb. Ved at erstatte den isolerende FR-4-kerne med en metalbase trækker et aluminiums-printkort varme væk fra strømkomponenter og spreder den over printkortet, hvilket er grunden til, at LED-, strømforsynings- og bildesign er afhængige af det. Men "aluminiums-printkort" beskriver en lagdelt struktur, der kun er så god som dens svageste lag, og fremstillingsprocessen har trin, der ikke findes på en standard FR-4-linje. Denne guide gennemgår de otte trin til fremstilling af et aluminiums-printkort og forklarer derefter det dielektriske lag, der afgør, om printkortet rent faktisk yder – og de designregler og defekter, der adskiller et perfekt aluminiums-printkort fra en feltfejl.

1. Hvad er et aluminiums-PCB?

Et aluminiums-PCB er et printkort med en metalkerne, der er bygget af tre sammenbundne lag: et øverste kobberkredsløbslag , et termisk ledende dielektrikum i midten og en aluminiumsbundplade nedenunder. Strøm flyder i kobberet, dielektrikumet isolerer det elektrisk, mens det leder varme, og aluminiumet fungerer som en indbygget varmespreder og køleplade.

Hvorfor designere vælger aluminium frem for FR-4

Standard FR-4 er en varmeisolator, så varme fra en strømforsyning hober sig op og forkorter komponenternes levetid. Ved at skifte til en aluminiumsbase - hjertet i et metalkerne-printkort - får varmen en lavmodstandsvej ud, samtidig med at det tilføjer mekanisk stivhed og dimensionsstabilitet. Ulempen er, at aluminiums-printkort normalt er enkeltlagede og følger en anden fremstillingsrute, som de otte trin nedenfor gør konkrete. For en mere fuldstændig grundig konstruktion, se hvad et aluminiums-printkort er.

2. De 8 trin til fremstilling af et aluminiums-PCB

Processen forvandler et kobberbelagt aluminiumslaminat til en færdig, testet plade. Hvert trin har en kvalitetshåndtag specifikt for metalkernekonstruktion.

1. Materialevalg. Vælg det kobberbelagte aluminiumlaminat — kobbervægt, dielektrisk type og tykkelse samt aluminiumslegering og tykkelse — der matcher de termiske og elektriske krav.
2. Skæring til størrelse. Klip eller skær laminatet til den korrekte størrelse på panelet, og håndter det for at undgå buler eller ridse aluminiumet.
3. Boring. Bor huller til komponenter og montering; fordi de fleste aluminiums-printkort er ensidede, er hullerne ikke belagt gennem metalbasen, og boringen kontrolleres for at undgå grater og dielektriske skader.
4. Kredsløbsmønstring. Laminer tørfilmsfotoresist, eksponer den gennem illustrationen, og fremkald den for at definere kobberkredsløbet.
5. Ætsning. Æts det blotlagte kobber væk for at forlade kredsløbet, og afisoler derefter resisten; ætsekontrol beskytter fine detaljer og sporbredde.
6. Loddemaske. Påfør og hærd loddemasken over kobberet, så puderne bliver blotlagte og kredsløbet beskyttes.
7. Silketryk (forklaring). Udskriv komponentforklaringen, markeringerne og identifikatorerne.
8. Overfladebehandling, profilering og test. Påfør overfladebehandlingen (HASL, ENIG eller OSP), fræs pladen til dens endelige omrids, og foretag derefter en elektrisk test og inspektion.

Trinet der snubler over folk

Fræsning og boring af aluminium er ikke som fræsning af FR-4 — metallet genererer varme og grater, hvilket kræver det rigtige værktøj og tilspænding, og dielektrikumet må ikke revne eller tværes ud i huller. Et perfekt aluminiums-printkort afhænger af at få de mekaniske trin (3 og 8) og den dielektriske håndtering korrekt, ikke kun kredsløbsbilledet.

3. Det dielektriske lag: Hvor kvaliteten af ​​aluminiums-PCB'er vindes eller tabes

Det enkelte lag, der adskiller et godt aluminiums-printkort fra et middelmådigt, er dielektrikummet. Det har to modsatrettede funktioner: at isolere kobberet elektrisk fra aluminiumet og at lede varme fra kobberet til aluminiumet. Disse funktioner trækker i modsatte retninger.

Afvejningen mellem termisk og spænding

Dielektrikummets varmeledningsevne – normalt omkring 1-3 W/m·K, højere for premiummaterialer – bestemmer, hvor godt varme passerer det, og det er den virkelige flaskehals, da selve aluminiumet leder varme langt bedre. Et tyndere dielektrikum leder varme bedre, men modstår mindre spænding , mens et tykkere isolerer mere, men bliver varmere. Valg af dielektrikumtype og tykkelse er derfor den centrale tekniske beslutning i ethvert MCPCB dielektrisk lag , og det skal matches med printkortets effekttab og dets arbejdsspænding. Specificer dielektrikumet til applikationen – ikke ved at vælge det billigste eller det tyndeste som standard – og printkortet yder; gør du det forkert, overopheder det eller går det i stykker.

Metalkerne-PCB-familien, som aluminiumskort tilhører, er blevet vurderet til at være i intervallet 13-16 milliarder dollars, og væksten er først og fremmest drevet af LED-belysning (ca. 45 % af efterspørgslen) og bilelektronik (ca. 30 %) - de to anvendelser, der driver mængden af ​​aluminium-PCB opad i takt med at belysning og elbiler bliver elektrificerede.

"På et aluminiumsbræt er kobberet og metalbasen den nemme del - det er det dielektriske element, hvor varmen sætter sig fast. Brug din ingeniørkunst der: vælg det dielektriske element til effekten og spændingen, og kortet gør sit job."

— en procesingeniør med metalkerne-printkort

Aflæsning af de termiske tal

De tal, der er vigtige, er lette at sammenligne. FR-4 leder varme ved cirka 0.3 W/m·K ; et aluminiums-printkorts dielektrikum ligger på omkring 1-3 W/m·K (premium-dielektrikum når ~5-12), og selve aluminiumsbasen er omkring 150-200 W/m·K . Fordi dielektrikumet er langt det mest resistive lag i stakken, dominerer det printkortets samlede termiske modstand (udtrykt i °C/W fra samling til base). Derfor sænker et tyndere dielektrikum med højere ledningsevne temperaturen på en strømforsyning - og hvorfor det at presse dielektrikumet for tyndt til at jagte termiske tal i sidste ende ofrer den gennemslagsspænding, det også skal levere. Den rigtige specifikation afbalancerer disse to mod printkortets reelle effekt og driftsspænding.

4. Regler for design af aluminiums-PCB og almindelige defekter

Et velbygget aluminiums-printkort fejler stadig, hvis designet ignorerer realiteterne ved metalkernekonstruktion. Et par regler forhindrer de fleste problemer.

Designregler, der betyder noget

• Hold kobberets funktioner og afstand inden for ætsningskapaciteten for den valgte kobbervægt.
• Hold afstanden mellem kobberet og printkortets kant/monteringshullerne, så dielektrikummet opretholder sin spændingsisolering til aluminiumet.
• Placer komponenterne med den højeste varmeafledning, hvor varmevejen til aluminiumet er kortest.
• Planlæg printkortets omrids og montering af kabelføringen og kølepladegrænsefladen fra starten.

Almindelige defekter at designe og inspicere imod

• Dielektrisk skade eller udtværing fra boring/fræsning, hvilket kompromitterer isolationen.
• Grater på aluminiumet som påvirker pasformen og den termiske grænseflade.
• delaminering mellem lagene på grund af dårlig laminering eller termisk stress.
• Reduceret gennemslagsspænding fra et dielektrikum, der er for tyndt eller beskadiget.
• fordrejning fra ujævn bearbejdning af metalbasen.

De fleste af disse kan spores tilbage til de mekaniske trin og valget af dielektrikum, hvilket er grunden til, at en metalkerneledning køres og inspiceres anderledes end en FR-4-ledning — fejltilstandene findes i metallet og dielektrikummet, ikke kobberet.

5. Fremstilling af aluminium PCB hos Highleap

Aluminiumplader er hverdagsarbejde på vores metalkerne-linje, og kvaliteten kommer fra at behandle de dielektriske og mekaniske trin som de kritiske. Hos Highleap udvælger vi det kobberbelagte aluminiumlaminat til dine termiske og spændingskrav, kontrollerer boring og fræsning af metallet for at undgå grater og dielektrisk skade, og verificerer isolering og finish, før pladerne sendes. Til LED- og belysningsarbejde bygger vi den samme konstruktion, der er justeret til lysudbytte og varmeafledning, som dækkes i vores aluminium LED PCB- arbejde.

Hvis du har et aluminiums-printkort – til LED-belysning, strømforsyning, motordrev eller bilindustrien – så send designet og dine effekt- og spændingsdata, så vil vi anbefale dielektrikummet, bekræfte designreglerne og bygge et printkort, der rent faktisk flytter varmen.

Giv et tilbud på dit aluminiums-printkort

6. Ofte stillede spørgsmål om aluminiums-printkort

Hvad er forskellen mellem et aluminiums-printkort og et metalkerne-printkort?

Et aluminiums-PCB er den mest almindelige type metal-core PCB (MCPCB). MCPCB er den bredere kategori: metalbasen kan være aluminium (mest almindeligt og økonomisk), kobber (højere termisk ydeevne, men dyrere og tungere) eller en stållegering. Så alle aluminiums-PCB er en MCPCB, men ikke alle MCPCB bruger en aluminiumbase.

Hvorfor er fremstilling af et aluminiums-printkort anderledes end FR-4?

Trinnene til kredsløbsbilleddannelse er ens, men de mekaniske trin er forskellige. Boring og fræsning af en metalbase genererer varme og grater og kræver forskellige værktøjer og tilførselsmuligheder; det termisk ledende dielektriske materiale må ikke revnes eller tværes ud i huller; og fordi de fleste aluminiums-printkort er ensidede, er hullerne ikke pletteret gennem metalbasen. Selv håndtering af panelet uden at bule aluminiumet er en del af processen.

Hvorfor er det dielektriske lag så vigtigt i et aluminiums-printkort?

Dielektrikummet skal isolere kobberet fra aluminiumet, samtidig med at det leder varme mellem dem, og disse mål er i konflikt. Et tyndere dielektrikum leder varme bedre, men modstår mindre spænding, så dets type og tykkelse er tilpasset printpladens effekttab og arbejdsspænding - den centrale designbeslutning i et metalkerneprint.

Er aluminiums-PCB'er enkeltlags- eller flerlags?

De fleste aluminiums-printkort er enkeltlagede med et kobberkredsløbslag oven på den dielektriske del og aluminiumsbasen. Flerlags aluminiumskonstruktioner findes til mere komplekse designs, men er mindre almindelige og mere komplicerede at fremstille.

Hvor anvendes aluminiums-PCB'er?

Overalt hvor varme skal fjernes fra et kompakt printkort: LED-belysning og -moduler, strømforsyninger og -konvertere, motordrev, bilelektronik og lignende strømtætte applikationer, hvor FR-4 ville blive for varm.

Kan man lave huller i et aluminiums printkort?

I et standard enkeltsidet aluminiums-printkort er hullerne ikke belagt gennem metalbasen, da aluminiumet er en ledende base snarere end et indre lag. Design, der kræver belagte gennemgående huller, bruger forskellige metalkerne- eller flerlagskonstruktioner.

Hvilke overfladebehandlinger er tilgængelige på aluminiums-printplader?

De almindelige overfladebehandlinger er HASL, ENIG og OSP, valgt ud fra loddeegenskaber, holdbarhed, planhed og pris på samme måde som på FR-4. ENIG passer til fine-pitch og flat-pad krav, mens HASL er økonomisk til generelt arbejde.