8 askelta täydellisen alumiinipiirilevyn valmistukseen

An alumiininen piirilevy olemassa yhdestä syystä: lämmön poistamiseksi piiristä. Korvaamalla eristävän FR-4-ytimen metallipohjalla, alumiininen piirilevy vetää lämpöä pois tehokomponenteista ja levittää sen koko levyn alueelle, minkä vuoksi LED-, virtalähde- ja autosuunnittelu perustuu siihen. Mutta "alumiini-piirilevy" kuvaa kerrosrakennetta, joka on vain niin hyvä kuin sen heikoin kerros, ja valmistusprosessissa on vaiheita, joita ei esiinny tavallisessa FR-4-linjassa. Tämä opas käy läpi kahdeksan vaihetta alumiinisen piirilevyn valmistamiseksi ja selittää sitten dielektrisen kerroksen, joka ratkaisee levyn todellisen suorituskyvyn – sekä suunnittelusäännöt ja -virheet, jotka erottavat täydellisen alumiinisen piirilevyn kenttäviasta.

1. Mikä on alumiininen piirilevy?

Alumiininen piirilevy on metalliytiminen piirilevy, joka on rakennettu kolmesta yhteenliitetystä kerroksesta: yläosasta kuparipiirikerrostai lämpöä johtava dielektrinen keskellä, ja alumiininen pohjalevy alla. Virta kulkee kuparissa, eriste eristää sen sähköisesti johtaen samalla lämpöä, ja alumiini toimii sisäänrakennettuna lämmönlevittäjänä ja jäähdytyselementtinä.

Miksi suunnittelijat valitsevat alumiinin FR-4:n sijaan

Standardi FR-4 on lämpöeriste, joten teholaitteesta tuleva lämpö kasaantuu ja lyhentää komponenttien käyttöikää. Vaihtaminen alumiinijalustaan ​​– laitteen sydämeen metalliytiminen piirilevy — antaa lämmölle matalan vastuksen ulosvirtausreitin ja lisää samalla mekaanista jäykkyyttä ja mittapysyvyyttä. Kompromissi on, että alumiiniset piirilevyt ovat yleensä yksikerroksisia ja niiden valmistusprosessi on erilainen, ja alla olevat kahdeksan vaihetta tekevät niistä konkreettisia. Katso tarkempi pohja rakennelmasta Mikä on alumiininen piirilevy.

2. Alumiinisen piirilevyn valmistuksen 8 vaihetta

Prosessissa kuparipinnoitetusta alumiinilaminaatista tulee valmiiksi ja testatuksi levyksi. Jokaisessa vaiheessa on metalliytimiselle ominainen laatuvipu.

1. Materiaalivalinta. Valitse kuparipäällysteinen alumiinilaminaatti — kuparin paino, dielektrinen tyyppi ja paksuus sekä alumiiniseos ja paksuus — vastaamaan lämpö- ja sähkövaatimuksia.
2. Leikkaus kokoon. Leikkaa tai leikkaa laminaatti työstettävän paneelin kokoon ja käsittele sitä siten, että alumiiniin ei tule lommoja tai naarmuja.
3. Poraus. Poraa komponentti- ja kiinnitysreiät; koska useimmat alumiiniset piirilevyt ovat yksipuolisia, reikiä ei galvanoida metallipohjan läpi, ja porausta hallitaan purseiden ja dielektristen vaurioiden välttämiseksi.
4. Piirikuviointi. Laminoi kuivafilminen fotoresisti, valota se taideteoksen läpi ja kehitä se kuparipiirin määrittelemiseksi.
5. Etsaus. Syövytä paljastunut kupari pois piiristä ja kuori sitten resist; syövytyssuoja suojaa hienojakoisia ominaisuuksia ja johtimen leveyttä.
6. Juotosmaski. Levitä juotosmaski kuparin päälle ja koveta se, jättäen juotoskohdat näkyviin ja suojaten piiriä.
7. Silkkipaino (legenda). Tulosta komponenttien selitteet, merkinnät ja tunnisteet.
8. Pinnan viimeistely, profilointi ja testaus. Levitä pintakäsittely (HASL, ENIG tai OSP), jyrsi piirilevy lopulliseen muotoonsa ja testaa ja tarkasta sitten sähköisesti.

Askelma, joka kompastuttaa ihmisiä ylös

Alumiinin jyrsintä ja poraus ei ole sama asia kuin FR-4:n jyrsintä – metalli tuottaa lämpöä ja purseita, mikä vaatii oikeanlaiset työkalut ja syötöt, eikä dielektristä materiaalia saa haljeta tai levittää reikiin. Täydellinen alumiininen piirilevy edellyttää mekaanisten vaiheiden (3 ja 8) ja dielektrisen materiaalin oikeanlaista käsittelyä, ei pelkästään piirilevyjen kuvantamista.

3. Dielektrinen kerros: Missä alumiinipiirilevyn laatu voittaa tai katoaa

Hyvän alumiinipiirilevyn keskinkertaisesta erottaa se yksittäinen kerros, eristekerros. Sillä on kaksi vastakkaista tehtävää: eristää kupari alumiinista sähköisesti ja johtaa lämpöä kuparista alumiiniin. Nämä tehtävät vetävät puoleensa vastakkaisiin suuntiin.

Lämpötilan ja jännitteen välinen kompromissi

Dielektrinen lämmönjohtokyky – yleensä noin 1–3 W/m·K, korkeampi premium-materiaaleilla – määrittää, kuinka hyvin lämpö läpäisee sen, ja se on todellinen pullonkaula, koska alumiini itsessään johtaa lämpöä paljon paremmin. ohuempi dielektrinen materiaali johtaa lämpöä paremmin, mutta kestää vähemmän jännitettä, kun taas paksumpi eristää paremmin, mutta kestää kuumempana. Dielektrisen tyypin ja paksuuden valinta on siksi keskeinen tekninen päätös missä tahansa MCPCB-eristekerros, ja sen on sovitettava levyn tehohäviöön ja sen käyttöjännitteeseen. Määritä sovelluksen dielektrinen materiaali – ei oletuksena halvinta tai ohuinta – ja levy toimii; jos se tehdään väärin, se joko ylikuumenee tai hajoaa.

Metalliytimisten piirilevyjen tuoteperheen, johon alumiinilevyt kuuluvat, arvo on arvioitu 13–16 miljardin dollarin välille, ja sen kasvua vauhdittavat ennen kaikkea LED-valaistus (noin 45 % kysynnästä) ja autoelektroniikka (noin 30 %) – nämä kaksi sovellusta nostavat alumiiniytimisten piirilevyjen volyymia valaistusten ja sähköautojen sähköistyessä.

”Alumiinilevyllä kupari ja metallipohja ovat helppo osa – eriste on se kohta, johon lämpö jää. Käytä suunnittelusi siihen: valitse eriste tehon ja jännitteen mukaan, ja levy tekee tehtävänsä.”

— metalliytimisen piirilevyjen prosessi-insinööri

Lämpötilalukujen lukeminen

Merkittäviä lukuja on helppo vertailla. FR-4 johtaa lämpöä suunnilleen 0.3 W/m·Kalumiinisen piirilevyn dielektrinen kerros kulkee noin 1–3 W/m·K (ensiluokkaiset dielektriset elementit ovat noin 5–12), ja itse alumiinipohja on noin 150–200 W/m·KKoska eriste on ylivoimaisesti pinon resistiivisin kerros, se hallitsee levyn kokonaislämpöresistanssia (ilmaistuna °C/W-yksiköissä liitoksesta pohjaan). Tästä syystä ohuempi ja korkeamman johtavuuden omaava eriste alentaa teholaitteen lämpötilaa – ja siksi eristeen painaminen liian ohueksi lämpölukujen saavuttamiseksi lopulta uhraa sen tarvitseman läpilyöntijännitteen. Oikea spesifikaatio tasapainottaa nämä kaksi levyn todellisen tehon ja käyttöjännitteen suhteen.

4. Alumiinisten piirilevyjen suunnittelusäännöt ja yleiset viat

Hyvin rakennettu alumiininen piirilevy epäonnistuu silti, jos suunnittelussa ei oteta huomioon metalliytimisen rakenteen realiteetteja. Muutamalla säännöllä voidaan estää useimmat ongelmat.

Suunnittelusäännöt, joilla on merkitystä

• Pidä kuparin ominaisuudet ja välit valitun kuparipainon syövytysominaisuuksien rajoissa.
• Pidä kuparin ja levyn reunan / kiinnitysreikien välinen rako, jotta dielektrinen materiaali säilyttää jänniteeristyksensä alumiiniin nähden.
• Aseta eniten lämpöä hävittävät komponentit paikkaan, jossa lämmönsiirtoreitti alumiiniin on lyhin.
• Suunnittele piirilevyn ääriviivat ja kiinnitys reititystä ja jäähdytysrivan liitintä varten alusta alkaen.

Yleisiä suunnittelu- ja tarkastusvirheitä

• Dielektrinen vaurio tai tahriintuminen poraamisesta/jyrsinnästä, mikä heikentää eristystä.
• Alumiinin purseet jotka vaikuttavat sopivuuteen ja lämpörajapintaan.
• delaminaatio kerrosten väliin huonon laminoinnin tai lämpöjännityksen vuoksi.
• Alennettu läpilyöntijännite liian ohuesta tai vaurioituneesta dielektrisestä materiaalista.
• vääntymisen metallipohjan epätasaisesta käsittelystä.

Suurin osa näistä juontaa juurensa mekaanisiin vaiheisiin ja dielektrisen materiaalin valintaan, minkä vuoksi metalliytimistä linjaa ajetaan ja tarkastetaan eri tavalla kuin FR-4-linjaa – vikaantumistilat sijaitsevat metallissa ja dielektrisessä materiaalissa, eivät kuparissa.

5. Alumiinipiirilevyjen valmistus Highleapissa

Alumiinilevyt ovat jokapäiväistä työtä metalliytimisellä linjallamme, ja laatu perustuu siihen, että dielektrisiä ja mekaanisia vaiheita käsitellään kriittisinä vaiheina. Highleapilla valitsemme kuparipäällysteisen alumiinilaminaatin lämpö- ja jännitevaatimustesi mukaan, valvomme metallin porausta ja jyrsintää purseiden ja dielektristen vaurioiden välttämiseksi ja tarkistamme eristyksen ja viimeistelyn ennen levyn toimitusta. LED- ja valaistustöissä rakennamme saman rakenteen, joka on viritetty valontuoton ja lämmönpoiston suhteen, kuten tuotteissamme on kuvattu. alumiininen LED-piirilevy työtä.

Jos sinulla on alumiininen piirilevy – LED-valaistukseen, teholähteeseen, moottorikäyttöön tai autoteollisuuteen – lähetä meille suunnittelu ja teho- ja jännitearvot, niin suosittelemme eristettä, vahvistamme suunnittelusäännöt ja rakennamme levyn, joka todella siirtää lämpöä.

Tarjous alumiinipiirilevyllesi

6. Alumiini-piirilevyjen usein kysytyt kysymykset

Mitä eroa on alumiini-piirilevyllä ja metalliytimisellä piirilevyllä?

Alumiininen piirilevy on yleisin metalliytiminen piirilevy (MCPCB). MCPCB on laajempi kategoria: metallipohja voi olla alumiinia (yleisin ja edullisin), kuparia (parempi lämpöominaisuuksien taso, mutta kalliimpi ja painavampi) tai terässeosta. Joten jokainen alumiininen piirilevy on MCPCB, mutta kaikki MCPCB:t eivät käytä alumiinipohjaa.

Miksi alumiinisen piirilevyn valmistus eroaa FR-4:n valmistuksesta?

Piirilevyjen kuvantamisvaiheet ovat samankaltaisia, mutta mekaaniset vaiheet eroavat toisistaan. Metallialustan poraaminen ja jyrsintä tuottaa lämpöä ja purseita, ja se vaatii erilaisia ​​työkaluja ja syöttöjä; lämpöä johtavaa eristettä ei saa haljeta tai levittää reikiin; ja koska useimmat alumiiniset piirilevyt ovat yksipuolisia, reikiä ei pinnoiteta metallialustan läpi. Jopa paneelin käsittely alumiinin lommoittamatta on osa prosessia.

Miksi dielektrinen kerros on niin tärkeä alumiinisessa piirilevyssä?

Dielektrisen aineen on eristettävä kupari alumiinista samalla, kun se johtaa lämpöä niiden välillä, ja nämä tavoitteet ovat ristiriidassa keskenään. Ohuempi dielektrinen aine johtaa lämpöä paremmin, mutta kestää pienempää jännitettä, joten sen tyyppi ja paksuus sovitetaan levyn tehohäviöön ja käyttöjännitteeseen – keskeinen suunnittelupäätös metalliytimisessä levyssä.

Ovatko alumiiniset piirilevyt yksikerroksisia vai monikerroksisia?

Useimmat alumiiniset piirilevyt ovat yksikerroksisia, joissa on yksi kuparipiirikerros dielektrisen ja alumiinisen pohjan päällä. Monikerroksisia alumiinirakenteita on olemassa monimutkaisempiin malleihin, mutta ne ovat harvinaisempia ja niiden valmistus on työläämpää.

Missä alumiinisia piirilevyjä käytetään?

Missä tahansa, missä lämpö on poistettava kompaktista piirilevystä: LED-valaistus ja -moduulit, virtalähteet ja muuntimet, moottorikäytöt, autoelektroniikka ja vastaavat tehoa vaativat sovellukset, joissa FR-4 kuumenisi liikaa.

Voidaanko alumiinisen piirilevyn läpi galvanoida reikiä?

Tavallisessa yksipuolisessa alumiinipiirilevyssä reikiä ei galvanoida metallipohjan läpi, koska alumiini on johtava pohja eikä sisäkerros. Malleissa, jotka vaativat galvanoituja läpireikiä, käytetään erilaisia ​​metalliydin- tai monikerrosrakenteita.

Mitä pintakäsittelyjä alumiinisille piirilevyille on saatavilla?

Yleisimmät pintakäsittelyt ovat HASL, ENIG ja OSP, jotka valitaan juotettavuuden, säilyvyyden, tasaisuuden ja kustannusten perusteella samalla tavalla kuin FR-4:ssä. ENIG sopii hienojakoisille ja tasaisille pinnoille, kun taas HASL on taloudellinen yleiskäyttöön.