Κατανόηση PCB υποστρώματος αλουμινίου: Τύποι και πλεονεκτήματα

Οι πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB) ή αλλιώς πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων, αποτελούν απαραίτητα εξαρτήματα σχεδόν σε όλες τις ηλεκτρονικές συσκευές. Για να βελτιώσετε την κατανόησή σας σχετικά με τις πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων, αυτός ο οδηγός θα σας παρουσιάσει τους τύπους υποστρωμάτων αλουμινίου PCB και τα συνηθισμένα εμπόδια στην αντιγραφή PCB. Εάν ενδιαφέρεστε για τις πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων ή για το περιεχόμενο αυτού του άρθρου, μη διστάσετε να συνεχίσετε την ανάγνωση.

Τι κάνει τα PCB υποστρώματος αλουμινίου να ξεχωρίζουν;

Νωρίτερα, συζητήσαμε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των κεραμικών πλακετών τυπωμένου κυκλώματος (PCB), σημειώνοντας ότι ένα μειονέκτημα είναι το υψηλό κόστος και η ευθραυστότητά τους. Οι τυπικές πλακέτες τυπωμένου κυκλώματος από υαλοβάμβακα δεν έχουν καλή απαγωγή θερμότητας, ενώ οι κεραμικές πλακέτες τυπωμένου κυκλώματος είναι σταθερές και ανθεκτικές στην παραμόρφωση σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας και υγρασίας, αλλά είναι ακριβές και χρησιμοποιούνται κυρίως σε προϊόντα υψηλής ποιότητας. Εάν το προϊόν σας δεν είναι υψηλής ποιότητας, όπως πλακέτες φωτισμού LED μεγάλης επιφάνειας και υψηλής ισχύος που απαιτούν καλή απαγωγή θερμότητας αλλά είναι οικονομικά αποδοτικές, υπάρχει κάποιο υλικό που να ταιριάζει;

Η απάντηση είναι ναι, και εδώ μπαίνουν στο παιχνίδι οι πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB) με υπόστρωμα αλουμινίου. Το αλουμίνιο, όντας μέταλλο με αγωγιμότητα, μπορεί να φαίνεται περίεργη επιλογή για υλικό PCB , αλλά οι πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων με υπόστρωμα αλουμινίου αποτελούνται από τρία στρώματα: φύλλο χαλκού, ένα μονωτικό στρώμα και ένα μεταλλικό στρώμα αλουμινίου. Δεδομένου ότι υπάρχει ένα μονωτικό στρώμα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και άλλα υλικά εκτός από το αλουμίνιο για το μεταλλικό στρώμα; Υλικά όπως χαλκός, ανοξείδωτος χάλυβας, σίδηρος, πυριτιούχος χάλυβας κ.λπ.; Κατά την επιλογή του μεταλλικού υποστρώματος, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη παράγοντες όπως ο συντελεστής θερμικής διαστολής, η θερμική αγωγιμότητα, η αντοχή, η σκληρότητα, το βάρος, η κατάσταση της επιφάνειας και το κόστος.

Γενικά, λαμβάνοντας υπόψη το κόστος και τις τεχνικές επιδόσεις, το αλουμίνιο είναι ιδανική επιλογή. Οι συνήθεις επιλογές για σανίδες αλουμινίου περιλαμβάνουν 6061, 5052, 1060, κ.λπ. Εάν υπάρχουν υψηλότερες απαιτήσεις για θερμική αγωγιμότητα, μηχανική απόδοση, ηλεκτρική απόδοση και άλλες ειδικές ιδιότητες, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί χαλκός, ανοξείδωτος χάλυβας, σίδηρος και χάλυβας πυριτίου.

Κοινό στα προϊόντα φωτισμού LED, τα PCB υποστρώματος αλουμινίου έχουν δύο πλευρές: μια λευκή πλευρά για τη συγκόλληση ακίδων LED και η άλλη πλευρά είναι φυσικό χρώμα αλουμινίου, συνήθως επικαλυμμένο με θερμική πάστα για επαφή με το θερμοαγώγιμο μέρος. Χρησιμοποιούνται κυρίως σε φωτιστικά LED, εξοπλισμό ήχου, εξοπλισμό ισχύος κ.λπ., με κύριο πλεονέκτημα τη γρήγορη αγωγιμότητα της θερμότητας και την εξαιρετική απόδοση απαγωγής θερμότητας.

Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά FR-4 , τα PCB με υπόστρωμα αλουμινίου μπορούν να ελαχιστοποιήσουν τη θερμική αντίσταση, παρέχοντας εξαιρετική αγωγιμότητα θερμότητας. Σε σύγκριση με τα κεραμικά υποστρώματα, έχουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες.

 Τύποι υποστρωμάτων αλουμινίου PCB

1. Εύκαμπτα Υποστρώματα Αλουμινίου : Μία από τις τελευταίες εξελίξεις στα υλικά IMS είναι τα εύκαμπτα διηλεκτρικά. Αυτά τα υλικά προσφέρουν εξαιρετική ηλεκτρική μόνωση, ευκαμψία και θερμική αγωγιμότητα. Όταν εφαρμόζονται σε υλικά όπως το 5754 ή παρόμοιο εύκαμπτο αλουμίνιο, μπορούν να διαμορφωθούν για να επιτύχουν διάφορα σχήματα και γωνίες, εξαλείφοντας την ανάγκη για ακριβά εξαρτήματα, καλώδια και συνδετήρες. Αν και αυτά τα υλικά είναι εύκαμπτα, έχουν σχεδιαστεί για να κάμπτονται στη θέση τους και να παραμένουν στη θέση τους.

2. Υβριδικά Υποστρώματα Αλουμινίου : Σε μια «υβριδική» δομή IMS, οι μη θερμικές ουσίες υποβάλλονται σε ανεξάρτητη επεξεργασία και στη συνέχεια συνδέονται με το υπόστρωμα αλουμινίου με ένα θερμικό υλικό. Η πιο συνηθισμένη δομή αποτελείται από 2 ή 4 στρώματα υποσυστατικών κατασκευασμένων από παραδοσιακό FR-4, τα οποία στη συνέχεια συνδέονται με τη βάση αλουμινίου με ένα θερμικά αγώγιμο διηλεκτρικό. Αυτό μπορεί να βοηθήσει στην απαγωγή θερμότητας, να βελτιώσει την ακαμψία και να λειτουργήσει ως θωράκιση. Άλλα οφέλη περιλαμβάνουν:

• • Χαμηλότερο κόστος από την κατασκευή όλων των θερμικών υλικών.
  • Καλύτερη θερμική απόδοση από τα τυπικά προϊόντα FR-4.
  • Εξάλειψη των ακριβών ψυκτών θερμότητας και των σχετικών βημάτων συναρμολόγησης.
  • Κατάλληλο για εφαρμογές RF που απαιτούν επιφανειακά στρώματα PTFE για χαρακτηριστικά απώλειας ραδιοσυχνοτήτων.
  • Χρήση παραθύρων εξαρτημάτων από αλουμίνιο για την τοποθέτηση εξαρτημάτων με διαμπερείς οπές, επιτρέποντας στους συνδετήρες και τα καλώδια να περνούν μέσα από την πλακέτα ενώ συγκολλούνται στρογγυλές γωνίες για να δημιουργηθεί σφράγιση, χωρίς να χρειάζονται ειδικές ροδέλες ή άλλους ακριβούς προσαρμογείς.

3. Πολυστρωματικά Υποστρώματα Αλουμινίου : Στην αγορά τροφοδοτικών υψηλής απόδοσης, τα πολυστρωματικά IMS PCB κατασκευάζονται από πολλαπλά στρώματα θερμικού διηλεκτρικού. Αυτές οι δομές έχουν ένα ή περισσότερα στρώματα κυκλωμάτων ενσωματωμένα στο διηλεκτρικό, με τυφλές οπές διέλευσης που χρησιμοποιούνται ως θερμικές οπές διέλευσης ή διαδρομές σήματος. Ενώ τα σχέδια μιας στρώσης είναι πιο ακριβά και λιγότερο αποτελεσματικά στη μεταφορά θερμότητας, παρέχουν μια απλή και αποτελεσματική λύση απαγωγής θερμότητας για πιο σύνθετα σχέδια.

4. Υποστρώματα αλουμινίου με διαμπερείς οπές : Στις πιο σύνθετες κατασκευές, ένα στρώμα αλουμινίου μπορεί να σχηματίσει τον «πυρήνα» των πολυστρωματικών θερμικών δομών. Πριν από την ελασματοποίηση, το αλουμίνιο προεπενδύεται και γεμίζεται με διηλεκτρικό. Τα θερμικά υλικά ή τα υποσυστατικά μπορούν να ελασματοποιηθούν και στις δύο πλευρές του αλουμινίου χρησιμοποιώντας ένα στρώμα θερμικής κόλλας. Μόλις ελασματοποιηθεί, το ολοκληρωμένο εξάρτημα είναι παρόμοιο με ένα παραδοσιακό πολυστρωματικό υπόστρωμα αλουμινίου που τρυπιέται μέσα από το αλουμίνιο. Οι επιμεταλλωμένες διαμπερείς οπές περνούν μέσα από τα κενά στο αλουμίνιο για να διατηρήσουν την ηλεκτρική μόνωση. Εναλλακτικά, οι πυρήνες χαλκού μπορούν να επιτρέψουν άμεσες ηλεκτρικές συνδέσεις καθώς και μονωμένες διαμπερείς οπές.

Πλεονεκτήματα των υποστρωμάτων αλουμινίου PCB

Εκτός από την εξαιρετική του απόδοση απαγωγής θερμότητας, το PCB υποστρώματος αλουμινίου έχει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα:

• Συμμόρφωση με τις περιβαλλοντικές απαιτήσεις RoHS.
• Πιο κατάλληλο για διαδικασία SMT.
• Υψηλότερη ικανότητα μεταφοράς ρεύματος.
• Αποτελεσματικός χειρισμός της διάχυσης θερμότητας στο σχεδιασμό κυκλώματος, μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας της μονάδας, παράταση της διάρκειας ζωής, αύξηση της πυκνότητας ισχύος και βελτίωση της αξιοπιστίας.
• Μείωση της συναρμολόγησης ψυκτών θερμότητας και άλλου υλικού (συμπεριλαμβανομένων των υλικών θερμικής διεπαφής), συρρίκνωση του μεγέθους του προϊόντος, μείωση του κόστους υλικού και συναρμολόγησης και βελτιστοποίηση του συνδυασμού κυκλωμάτων ισχύος και κυκλωμάτων ελέγχου.
• Αντικατάσταση εύθραυστων κεραμικών υποστρωμάτων για καλύτερη μηχανική αντοχή.

Σε σύγκριση με τις συνηθισμένες πλακέτες FR-4, το PCB υποστρώματος αλουμινίου έχει ένα σημαντικό πλεονέκτημα στο ότι μπορεί να μεταφέρει υψηλότερο ρεύμα. Όπως το FR-4, τα στρώματα κυκλώματος χρησιμοποιούν φύλλο χαλκού ως αγωγούς για τη σύνδεση. Σε σύγκριση με το παραδοσιακό FR-4, με το ίδιο πάχος και πλάτος γραμμής, το PCB υποστρώματος αλουμινίου μπορεί να μεταφέρει υψηλότερο ρεύμα.

Η βασική τεχνολογία του υποστρώματος αλουμινίου PCB έγκειται στο υλικό της ενδιάμεσης μονωτικής στρώσης, το οποίο εξυπηρετεί κυρίως τις λειτουργίες συγκόλλησης, μόνωσης και θερμικής αγωγιμότητας. Το μονωτικό στρώμα του υποστρώματος αλουμινίου PCB είναι το μεγαλύτερο θερμικό φράγμα στη δομή των μονάδων ισχύος. Όσο καλύτερη είναι η θερμική αγωγιμότητα του μονωτικού στρώματος, τόσο περισσότερο ευνοεί τη διάχυση της θερμότητας που παράγεται κατά τη λειτουργία της συσκευής, η οποία με τη σειρά της συμβάλλει στη μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας της συσκευής, στην επίτευξη υψηλότερου φορτίου ισχύος της μονάδας, στη μείωση του μεγέθους, παράταση της διάρκειας ζωής και αύξηση της ισχύος εξόδου. Ενώ πληροί την απαίτηση καλής θερμικής αγωγιμότητας, θα πρέπει επίσης να έχει ικανότητα μόνωσης υψηλής τάσης.

Διαφορές μεταξύ βάσης αλουμινίου και πλακέτας FR-4

Διαρροή θερμότητας

Η μεγαλύτερη διαφορά μεταξύ του πολυστρωματικού υλικού με επένδυση χαλκού (CCL) με βάση το αλουμίνιο και του συμβατικού FR-4 CCL έγκειται στις ιδιότητες απαγωγής θερμότητας. Για παράδειγμα, σε σύγκριση με ένα FR-1.5 CCL πάχους 4 mm, η θερμική αντίσταση ενός CCL με βάση το αλουμίνιο είναι 20-22 ℃ για το πρώτο και 1.0-2.0 ℃ για το δεύτερο, το οποίο είναι σημαντικά χαμηλότερο.

Συντελεστής θερμικής διαστολής

Συνήθως, οι πλακέτες FR-4 υποφέρουν από προβλήματα θερμικής διαστολής, όπου οι υψηλές θερμοκρασίες μπορούν να προκαλέσουν αλλαγές στο πάχος και την επιπεδότητα, ειδικά στην κατεύθυνση του πάχους, επηρεάζοντας την ποιότητα των επιμεταλλωμένων οπών και κυκλωμάτων. Αυτό οφείλεται κυρίως στους διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής στην κατεύθυνση του πάχους του υλικού: ο χαλκός έχει συντελεστή 17×10^-6 cm/cm℃, ενώ το υλικό βάσης της σανίδας FR-4 είναι 110×10^-6 cm/cm ℃, το οποίο μπορεί εύκολα να οδηγήσει σε αποτελέσματα θερμικής διαστολής. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής των σανίδων με βάση το αλουμίνιο είναι 50×10^-6 cm/cm℃, μικρότερος από αυτόν των γενικών σανίδων FR-4 και πιο κοντά σε αυτόν του φύλλου χαλκού. Αυτό βοηθά στη διασφάλιση της ποιότητας και της αξιοπιστίας των πλακετών τυπωμένων κυκλωμάτων.

κύριες εφαρμογές

Οι πλακέτες FR-4 είναι κατάλληλες για γενικό σχεδιασμό κυκλωμάτων και συνηθισμένα ηλεκτρονικά προϊόντα. Οι πλακέτες με βάση το αλουμίνιο είναι κατάλληλες για κυκλώματα με ειδικές απαιτήσεις, όπως υβριδικά ολοκληρωμένα κυκλώματα παχιάς μεμβράνης, απαγωγή θερμότητας για κυκλώματα ισχύος, ψύξη εξαρτημάτων σε κυκλώματα, υποστρώματα μεγάλης κλίμακας που δεν μπορούν να χειριστούν τα κεραμικά υποστρώματα και κυκλώματα όπου οι συνηθισμένες ψύκτρες θερμότητας δεν μπορούν να επιλύσουν ζητήματα αξιοπιστίας.

Μηχανική ικανότητα

Οι σανίδες με βάση το αλουμίνιο έχουν υψηλή μηχανική αντοχή και σκληρότητα, η οποία είναι ανώτερη από τις σανίδες FR-4. Επομένως, οι τυπωμένες σανίδες μεγάλης επιφάνειας μπορούν να κατασκευαστούν σε σανίδες με βάση το αλουμίνιο και τα βαριά εξαρτήματα μπορούν να εγκατασταθούν σε τέτοια υποστρώματα.

Ηλεκτρική απόδοση

Σε σύγκριση με τις πλακέτες FR-4, οι σανίδες με βάση το αλουμίνιο έχουν υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα, γεγονός που οδηγεί σε σημαντική αύξηση της ικανότητας μεταφοράς ρεύματος των αγωγών. Αυτό δείχνει την υψηλή θερμική αγωγιμότητα των σανίδων με βάση το αλουμίνιο. Η απαγωγή θερμότητας των σανίδων με βάση το αλουμίνιο σχετίζεται με το πάχος της μονωτικής τους στρώσης και τη θερμική αγωγιμότητα. Τα λεπτότερα μονωτικά στρώματα έχουν ως αποτέλεσμα υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα των σανίδων με βάση το αλουμίνιο (αλλά χαμηλότερη απόδοση τάσης αντοχής). Προκειμένου να διασφαλιστεί η απόδοση των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, ορισμένα εξαρτήματα σε ηλεκτρονικά προϊόντα πρέπει να αποτρέπουν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και παρεμβολές. Οι σανίδες με βάση το αλουμίνιο μπορούν να λειτουργήσουν ως προστατευτικές πλάκες για την προστασία των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Απόδοση μόνωσης

Υπό γενικές συνθήκες, η τάση διάσπασης των σανίδων με βάση το αλουμίνιο καθορίζεται από το πάχος του μονωτικού στρώματος, με τάση διάσπασης γενικά γύρω στα 500V. Εάν πρέπει να δοκιμάσετε την τάση διάσπασης μιας πλακέτας αλουμινίου με βάση λαμπτήρα φθορισμού LED, πρέπει απλώς να εκτελέσετε μια δοκιμή υψηλής τάσης στο περίβλημα της θύρας εισόδου. Οι τιμές πιστοποίησης UL και CE πρέπει να είναι 2500V και η πιστοποίηση 3C πρέπει να είναι περίπου 3750V.