Forståelse af aluminiumssubstrat-PCB: typer og fordele

PCB'er, eller printkort, er essentielle komponenter i næsten alle elektroniske enheder. For at forbedre din forståelse af PCB'er vil denne guide introducere typerne af PCB-aluminiumsubstrater og almindelige hindringer i forbindelse med PCB-kopiering. Hvis du er interesseret i PCB'er eller indholdet af denne artikel, er du velkommen til at læse videre.

Hvad får aluminiumssubstrat-PCB'er til at skille sig ud?

Tidligere diskuterede vi fordele og ulemper ved keramiske printkort og bemærkede, at en ulempe er deres høje pris og skrøbelighed. Standard glasfiberprintkort mangler god varmeafledning, mens keramiske printkort er stabile og modstandsdygtige over for deformation i miljøer med høj temperatur og høj luftfugtighed, men de er dyre og bruges primært i high-end produkter. Hvis dit produkt ikke er high-end, såsom store LED-lyskort med høj effekt , der kræver god varmeafledning, men er omkostningseffektive, findes der så et materiale, der passer til dette?

Svaret er ja, og det er her, aluminiumsubstrat-printkort kommer ind i billedet. Aluminium, som et metal med ledningsevne, kan virke som et mærkeligt valg til printkortmateriale , men aluminiumsubstrat-printkort består af tre lag: kobberfolie, et isoleringslag og et metalaluminiumlag. Da der er et isoleringslag, kan andre materialer udover aluminium så bruges til metallaget? Materialer som kobber, rustfrit stål, jern, siliciumstål osv.? Ved valg af metalsubstrat skal faktorer som termisk udvidelseskoefficient, termisk ledningsevne, styrke, hårdhed, vægt, overfladetilstand og omkostninger tages i betragtning.

Generelt set i betragtning af omkostninger og teknisk ydeevne er aluminium et ideelt valg. Almindelige valg for aluminiumsplader omfatter 6061, 5052, 1060 osv. Hvis der er højere krav til termisk ledningsevne, mekanisk ydeevne, elektrisk ydeevne og andre specielle egenskaber, kan kobber, rustfrit stål, jern og siliciumstål også bruges.

Almindelig i LED-belysningsprodukter har aluminiumssubstrat-PCB'er to sider: en hvid side til lodning af LED-stifter, og den anden side er naturlig aluminiumsfarve, typisk belagt med termisk pasta for at komme i kontakt med den varmeledende del. De bruges hovedsageligt i LED-armaturer, lydudstyr, strømudstyr osv., hvor den største fordel er hurtig varmeledning og fremragende varmeafledningsevne.

Sammenlignet med traditionelle FR-4 kan aluminiumsubstrat-printplader minimere termisk modstand og give fremragende varmeledning; sammenlignet med keramiske substrater har de fremragende mekaniske egenskaber.

 Typer af PCB-aluminiumsunderlag

1. Fleksible aluminiumsubstrater : En af de seneste udviklinger inden for IMS-materialer er fleksible dielektriske materialer. Disse materialer tilbyder fremragende elektrisk isolering, fleksibilitet og termisk ledningsevne. Når de anvendes på materialer som 5754 eller lignende fleksibelt aluminium, kan de formes til at opnå forskellige former og vinkler, hvilket eliminerer behovet for dyre armaturer, kabler og stik. Selvom disse materialer er fleksible, er de designet til at bøje på plads og forblive på plads.

2. Hybride aluminiumsubstrater : I en "hybrid" IMS-struktur behandles ikke-termiske stoffer uafhængigt og bindes derefter til aluminiumsubstratet med et termisk materiale. Den mest almindelige struktur består af 2 eller 4 lag af delkomponenter lavet af traditionel FR-4, som derefter bindes til aluminiumbasen med et termisk ledende dielektrikum. Dette kan hjælpe med varmeafledning, forbedre stivhed og fungere som afskærmning. Andre fordele inkluderer:

• • Lavere omkostninger end at konstruere alle termiske materialer.
  • Bedre termisk ydeevne end standard FR-4 produkter.
  • Eliminering af dyre køleplader og relaterede monteringstrin.
  • Velegnet til RF-applikationer, der kræver PTFE-overfladelag for RF-tabskarakteristika.
  • Brug af komponentvinduer i aluminium til at rumme komponenter med gennemgående huller, hvilket tillader stik og kabler at passere gennem pladen, mens runde hjørner loddes for at skabe en tætning uden behov for specielle skiver eller andre dyre adaptere.

3. Flerlags aluminiumsubstrater : På markedet for højtydende strømforsyninger er flerlags IMS-printkort lavet af flere lag termisk dielektrikum. Disse strukturer har et eller flere lag af kredsløb indlejret i dielektrikumet, med blinde vias, der bruges som termiske vias eller signalveje. Mens enkeltlagsdesign er dyrere og mindre effektive til at overføre varme, giver de en simpel og effektiv varmeafledningsløsning til mere komplekse designs.

4. Gennemgående aluminiumsubstrater : I de mest komplekse strukturer kan et lag aluminium danne "kernen" i flerlags termiske strukturer. Før laminering forbehandles aluminiumet og fyldes med dielektrikum. Termiske materialer eller delkomponenter kan lamineres på begge sider af aluminiumet ved hjælp af et termisk klæbelag. Når lamineringen er afsluttet, ligner den færdige komponent et traditionelt flerlags aluminiumsubstrat, der bores gennem aluminiumet. Belagte gennemgående huller føres gennem mellemrummene i aluminiumet for at opretholde elektrisk isolering. Alternativt kan kobberkerner muliggøre direkte elektriske forbindelser såvel som isolerede gennemgående huller.

Fordele ved PCB-aluminiumssubstrater

Ud over sin fremragende varmeafledningsevne har aluminiumssubstrat-PCB følgende fordele:

• Overholdelse af RoHS miljøkrav.
• Mere egnet til SMT-proces.
• Højere strømbærende kapacitet.
• Effektiv håndtering af varmespredning i kredsløbsdesign, reducerer modulets driftstemperatur, forlænger levetiden, øger effekttætheden og forbedrer pålideligheden.
• Reduktion i samlingen af ​​køleplader og andet hardware (herunder termiske grænsefladematerialer), krympende produktstørrelse, reduktion af hardware- og montageomkostninger og optimering af kombinationen af ​​strømkredsløb og styrekredsløb.
• Udskiftning af skrøbelige keramiske underlag for bedre mekanisk holdbarhed.

Sammenlignet med almindelige FR-4 plader har aluminium substrat PCB en stor fordel ved, at det kan føre højere strøm. Ligesom FR-4 bruger kredsløbslagene kobberfolie som ledere til tilslutning. Sammenlignet med traditionel FR-4, med samme tykkelse og linjebredde, kan aluminiumssubstrat-PCB bære højere strøm.

Kerneteknologien for aluminiumssubstrat-PCB ligger i det mellemliggende isoleringslagsmateriale, som hovedsageligt tjener funktionerne limning, isolering og termisk ledning. Isoleringslaget af aluminium substrat PCB er den største termiske barriere i strukturen af ​​strømmoduler. Jo bedre termisk ledningsevne af isoleringslaget er, jo mere befordrende er det for spredningen af ​​varme, der genereres under enhedens drift, hvilket igen er befordrende for at reducere enhedens driftstemperatur, opnå højere effektbelastning af modulet, reducere størrelsen, forlænge levetiden og øge effektudgangen. Mens den opfylder kravet om god varmeledningsevne, bør den også have højspændingsisoleringsevne.

Forskelle mellem Aluminium Base og FR-4 Board

Varmedissipation

Den største forskel mellem aluminiumbaseret kobberbeklædt laminat (CCL) og konventionel FR-4 CCL ligger i deres varmeafledningsegenskaber. Sammenlignet med en 1.5 mm tyk FR-4 CCL er den termiske modstand for en aluminiumbaseret CCL for eksempel 20-22 ℃ for førstnævnte og 1.0-2.0 ℃ for sidstnævnte, hvilket er væsentligt lavere.

Termisk ekspansionskoefficient

Typisk lider FR-4 plader af termiske ekspansionsproblemer, hvor høje temperaturer kan forårsage ændringer i tykkelse og fladhed, især i tykkelsesretningen, hvilket påvirker kvaliteten af ​​metalbelagte huller og kredsløb. Dette skyldes hovedsageligt de forskellige termiske udvidelseskoefficienter i materialetykkelsesretningen: kobber har en koefficient på 17×10^-6 cm/cm℃, mens FR-4-pladegrundmaterialet er 110×10^-6 cm/cm℃, hvilket let kan føre til termiske udvidelseseffekter. Termisk udvidelseskoefficient for aluminium-baserede plader er 50×10^-6 cm/cm℃, mindre end den for almindelige FR-4 plader, og tættere på kobberfoliens. Dette er med til at sikre kvaliteten og pålideligheden af ​​printkort.

vigtigste Applications

FR-4-kort er velegnede til generel kredsløbsdesign og almindelige elektroniske produkter. Aluminiumsbaserede plader er velegnede til kredsløb med særlige krav, såsom tykfilm hybride integrerede kredsløb, varmeafledning til strømkredsløb, køling af komponenter i kredsløb, storskala substrater, som keramiske substrater ikke kan håndtere, og kredsløb, hvor almindelige køleplader ikke kan løse pålidelighedsproblemer.

bearbejdelighed

Aluminiumsbaserede plader har høj mekanisk styrke og sejhed, hvilket er bedre end FR-4 plader. Derfor kan store printplader fremstilles på aluminiumsbaserede plader, og tunge komponenter kan installeres på sådanne underlag.

Elektrisk ydeevne

Sammenlignet med FR-4-plader har aluminium-baserede plader højere termisk ledningsevne, hvilket fører til en betydelig stigning i ledernes strømbærende kapacitet. Dette indikerer den høje varmeledningsevne af aluminium-baserede plader. Varmeafledningen af ​​aluminium-baserede plader er relateret til tykkelsen af ​​deres isoleringslag og varmeledningsevne. Tyndere isoleringslag resulterer i højere termisk ledningsevne af aluminium-baserede plader (men lavere modstandsdygtighed over for spænding). For at sikre elektroniske kredsløbs ydeevne skal nogle komponenter i elektroniske produkter forhindre elektromagnetisk stråling og interferens. Aluminiumsbaserede plader kan fungere som afskærmningsplader til at afskærme elektromagnetiske bølger.

Isolationsevne

Under generelle forhold bestemmes nedbrydningsspændingen af ​​aluminiumsbaserede plader af tykkelsen af ​​isoleringslaget, med en gennembrudsspænding generelt omkring 500V. Hvis du har brug for at teste nedbrydningsspændingen af ​​et LED-lysstofrør, aluminium-baseret bord, skal du blot udføre en højspændingstest på indgangsportens hus. UL- og CE-certificeringsværdierne skal være 2500V, og 3C-certificeringen skal være omkring 3750V.