Comprensión de la PCB con sustrato de aluminio: tipos y ventajas

Las placas de circuito impreso (PCB) son componentes esenciales en casi todos los dispositivos electrónicos. Para que comprenda mejor las PCB, esta guía le presentará los tipos de sustratos de aluminio para PCB y los obstáculos comunes en su copia. Si le interesan las PCB o el contenido de este artículo, puede seguir leyendo.

¿Qué hace que los PCB con sustrato de aluminio se destaquen?

Anteriormente, analizamos las ventajas y desventajas de las placas de circuito impreso cerámicas, señalando que uno de sus inconvenientes es su elevado coste y fragilidad. Las placas de fibra de vidrio estándar presentan una disipación de calor deficiente, mientras que las cerámicas son estables y resistentes a la deformación en entornos de alta temperatura y humedad. Sin embargo, son costosas y se utilizan principalmente en productos de alta gama. Si su producto no es de alta gama, como por ejemplo placas de iluminación LED de gran superficie y alta potencia que requieren una buena disipación de calor pero son rentables, ¿existe algún material que cumpla con estos requisitos?

La respuesta es sí, y ahí es donde entran en juego las PCB con sustrato de aluminio. El aluminio, al ser un metal con conductividad, podría parecer una elección extraña para un material de PCB , pero las PCB con sustrato de aluminio constan de tres capas: una lámina de cobre, una capa aislante y una capa metálica de aluminio. Dado que existe una capa aislante, ¿se pueden utilizar otros materiales además del aluminio para la capa metálica? ¿Materiales como cobre, acero inoxidable, hierro, acero al silicio, etc.? Al seleccionar el sustrato metálico, se deben considerar factores como el coeficiente de expansión térmica, la conductividad térmica, la resistencia, la dureza, el peso, el estado de la superficie y el costo.

En general, considerando el costo y el desempeño técnico, el aluminio es la opción ideal. Las opciones comunes para tableros de aluminio incluyen 6061, 5052, 1060, etc. Si existen requisitos más altos de conductividad térmica, rendimiento mecánico, rendimiento eléctrico y otras propiedades especiales, también se pueden utilizar cobre, acero inoxidable, hierro y acero al silicio.

Los PCB con sustrato de aluminio, comunes en los productos de iluminación LED, tienen dos lados: un lado blanco para soldar pines de LED y el otro lado es de color aluminio natural, generalmente recubierto con pasta térmica para hacer contacto con la parte conductora de calor. Se utilizan principalmente en luminarias LED, equipos de audio, equipos eléctricos, etc., siendo la principal ventaja la rápida conducción del calor y el excelente rendimiento de disipación del calor.

En comparación con el FR-4 tradicional , las placas de circuito impreso con sustrato de aluminio minimizan la resistencia térmica, proporcionando una excelente conducción del calor; en comparación con los sustratos cerámicos, poseen excelentes propiedades mecánicas.

 Tipos de sustratos de aluminio para PCB

1. Sustratos de aluminio flexibles : Uno de los últimos avances en materiales IMS son los dieléctricos flexibles. Estos materiales ofrecen un excelente aislamiento eléctrico, flexibilidad y conductividad térmica. Al aplicarse a materiales como el 5754 o aluminio flexible similar, se pueden moldear para lograr diversas formas y ángulos, eliminando la necesidad de costosos accesorios, cables y conectores. Si bien estos materiales son flexibles, están diseñados para doblarse y permanecer en su posición.

2. Sustratos de aluminio híbridos : En una estructura IMS “híbrida”, las sustancias no térmicas se procesan de forma independiente y luego se adhieren al sustrato de aluminio con un material térmico. La estructura más común consta de 2 o 4 capas de subcomponentes fabricados con FR-4 tradicional, que luego se adhieren a la base de aluminio con un dieléctrico conductor térmico. Esto puede ayudar a disipar el calor, mejorar la rigidez y actuar como blindaje. Otros beneficios incluyen:

• • Menor costo que construir todos los materiales térmicos.
  • Mejor rendimiento térmico que los productos FR-4 estándar.
  • Eliminación de costosos disipadores de calor y pasos de montaje relacionados.
  • Adecuado para aplicaciones de RF que requieren capas superficiales de PTFE para las características de pérdida de RF.
  • Uso de ventanas de componentes en aluminio para acomodar componentes con orificios pasantes, lo que permite que los conectores y cables pasen a través de la placa mientras se sueldan las esquinas redondeadas para crear un sello, sin la necesidad de arandelas especiales u otros adaptadores costosos.

3. Sustratos de aluminio multicapa : En el mercado de fuentes de alimentación de alto rendimiento, las placas de circuito impreso (PCB) IMS multicapa se fabrican con múltiples capas de dieléctrico térmico. Estas estructuras cuentan con una o más capas de circuitos integrados en el dieléctrico, con vías ciegas que funcionan como vías térmicas o rutas de señal. Si bien los diseños de una sola capa son más costosos y menos eficientes en la transferencia de calor, ofrecen una solución de disipación de calor sencilla y eficaz para diseños más complejos.

4. Sustratos de aluminio con orificios pasantes : En las estructuras más complejas, una capa de aluminio puede formar el núcleo de estructuras térmicas multicapa. Antes de la laminación, el aluminio se recubre previamente con un material dieléctrico. Los materiales térmicos o subcomponentes se pueden laminar a ambos lados del aluminio mediante una capa de adhesivo térmico. Una vez laminado, el componente resultante es similar a un sustrato de aluminio multicapa tradicional perforado. Los orificios pasantes metalizados atraviesan los espacios del aluminio para mantener el aislamiento eléctrico. Como alternativa, los núcleos de cobre permiten conexiones eléctricas directas, así como orificios pasantes aislados.

Ventajas de los sustratos de aluminio para PCB

Además de su excelente rendimiento de disipación de calor, la PCB con sustrato de aluminio tiene las siguientes ventajas:

• Cumplimiento de los requisitos medioambientales RoHS.
• Más adecuado para procesos SMT.
• Mayor capacidad de transporte de corriente.
• Manejo eficaz de la difusión de calor en el diseño de circuitos, reduciendo la temperatura de funcionamiento del módulo, extendiendo la vida útil, aumentando la densidad de potencia y mejorando la confiabilidad.
• Reducción del ensamblaje de disipadores de calor y otro hardware (incluidos materiales de interfaz térmica), reducción del tamaño del producto, reducción de los costos de hardware y ensamblaje y optimización de la combinación de circuitos de potencia y circuitos de control.
• Reemplazo de sustratos cerámicos frágiles para una mejor durabilidad mecánica.

En comparación con las placas FR-4 ordinarias, la PCB con sustrato de aluminio tiene la gran ventaja de que puede transportar mayor corriente. Al igual que el FR-4, las capas del circuito utilizan láminas de cobre como conductores para la conexión. En comparación con el FR-4 tradicional, con el mismo grosor y ancho de línea, la PCB con sustrato de aluminio puede transportar mayor corriente.

La tecnología central de la PCB con sustrato de aluminio radica en el material de la capa de aislamiento intermedia, que cumple principalmente las funciones de unión, aislamiento y conducción térmica. La capa aislante de PCB con sustrato de aluminio es la barrera térmica más grande en la estructura de los módulos de potencia. Cuanto mejor sea la conductividad térmica de la capa de aislamiento, más propicia será para la difusión del calor generado durante el funcionamiento del dispositivo, lo que a su vez favorece la reducción de la temperatura de funcionamiento del dispositivo, logrando una mayor carga de energía del módulo, reduciendo el tamaño, prolongando la vida útil y aumentando la producción de energía. Si bien cumple con el requisito de una buena conductividad térmica, también debe tener capacidad de aislamiento de alto voltaje.

Diferencias entre base de aluminio y tablero FR-4

Disipación de calor

La mayor diferencia entre el laminado revestido de cobre (CCL) a base de aluminio y el CCL FR-4 convencional radica en sus propiedades de disipación de calor. Por ejemplo, en comparación con un CCL FR-1.5 de 4 mm de espesor, la resistencia térmica de un CCL a base de aluminio es de 20-22 ℃ para el primero y de 1.0-2.0 ℃ para el segundo, lo que es significativamente menor.

Coeficiente de expansión termal

Normalmente, las placas FR-4 sufren problemas de expansión térmica, donde las altas temperaturas pueden provocar cambios en el espesor y la planitud, especialmente en la dirección del espesor, lo que afecta la calidad de los orificios y circuitos chapados en metal. Esto se debe principalmente a los diferentes coeficientes de expansión térmica en la dirección del espesor del material: el cobre tiene un coeficiente de 17×10^-6 cm/cm℃, mientras que el material base del tablero FR-4 es 110×10^-6 cm/cm. ℃, lo que puede provocar fácilmente efectos de expansión térmica. El coeficiente de expansión térmica de los tableros a base de aluminio es 50×10^-6 cm/cm℃, más pequeño que el de los tableros FR-4 generales y más cercano al de la lámina de cobre. Esto ayuda a garantizar la calidad y confiabilidad de las placas de circuito impreso.

Aplicaciones Principales

Las placas FR-4 son adecuadas para el diseño de circuitos generales y productos electrónicos comunes. Las placas a base de aluminio son adecuadas para circuitos con requisitos especiales, como circuitos integrados híbridos de película gruesa, disipación de calor para circuitos de energía, enfriamiento de componentes en circuitos, sustratos a gran escala que los sustratos cerámicos no pueden manejar y circuitos donde los disipadores de calor comunes no pueden resolver. problemas de confiabilidad.

maquinabilidad

Los tableros a base de aluminio tienen una alta resistencia mecánica y tenacidad, superior a los tableros FR-4. Por lo tanto, se pueden fabricar tableros impresos de gran superficie sobre tableros a base de aluminio y se pueden instalar componentes pesados ​​sobre tales sustratos.

Funcionamiento eléctrico

En comparación con las placas FR-4, las placas a base de aluminio tienen una mayor conductividad térmica, lo que conduce a un aumento significativo en la capacidad de transporte de corriente de los conductores. Esto indica la alta conductividad térmica de los tableros a base de aluminio. La disipación de calor de los tableros a base de aluminio está relacionada con el espesor de su capa aislante y la conductividad térmica. Las capas de aislamiento más delgadas dan como resultado una mayor conductividad térmica de los tableros a base de aluminio (pero un menor rendimiento de tensión soportada). Para garantizar el rendimiento de los circuitos electrónicos, algunos componentes de los productos electrónicos deben evitar la radiación y las interferencias electromagnéticas. Los tableros a base de aluminio pueden actuar como placas protectoras para proteger las ondas electromagnéticas.

Rendimiento de aislamiento

En condiciones generales, el voltaje de ruptura de los tableros a base de aluminio está determinado por el espesor de la capa de aislamiento, con un voltaje de ruptura generalmente alrededor de 500 V. Si necesita probar el voltaje de ruptura de una placa con base de aluminio de lámpara fluorescente LED, solo necesita realizar una prueba de alto voltaje en la carcasa del puerto de entrada. Los valores de certificación UL y CE deben ser de 2500 V y la certificación 3C debe ser de alrededor de 3750 V.