Alumiinialustan piirilevyjen ymmärtäminen: tyypit ja edut

Piirilevyt eli painetut piirilevyt ovat olennaisia ​​komponentteja lähes kaikissa elektronisissa laitteissa. Jotta ymmärtäisit piirilevyjä paremmin, tämä opas esittelee piirilevyjen alumiinialustojen tyypit ja yleisimmät piirilevyjen kopioinnin esteet. Jos olet kiinnostunut piirilevyistä tai tämän artikkelin sisällöstä, voit jatkaa lukemista.

Mikä tekee alumiinisubstraattipiirilevyistä erottuvan?

Aiemmin keskustelimme keraamisten piirilevyjen eduista ja haitoista ja huomautimme, että yksi haittapuoli on niiden korkea hinta ja hauraus. Tavallisista lasikuitupiirilevyistä puuttuu hyvä lämmönpoisto, kun taas keraamiset piirilevyt ovat vakaita ja kestäviä muodonmuutoksia vastaan ​​korkeissa lämpötiloissa ja korkean kosteuden ympäristöissä, mutta ne ovat kalliita ja niitä käytetään pääasiassa huippuluokan tuotteissa. Jos tuotteesi ei ole huippuluokan, kuten laaja-alainen, suuritehoinen LED-valotaulut jotka vaativat hyvää lämmönpoistoa, mutta ovat kustannustehokkaita, onko olemassa materiaalia, joka sopii laskuun?

Vastaus on kyllä, ja siinä alumiinisubstraatti-PCB:t tulevat käyttöön. Alumiini, koska se on metalli, jolla on johtavuus, saattaa vaikuttaa oudolta valinnalta PCB -materiaali, mutta alumiinisubstraattipiirilevyt koostuvat kolmesta kerroksesta: kuparifoliosta, eristekerroksesta ja metallista alumiinikerroksesta. Koska eristekerros on olemassa, voidaanko metallikerroksena käyttää muita materiaaleja kuin alumiinia? Materiaalit, kuten kupari, ruostumaton teräs, rauta, piiteräs jne.? Metallisubstraattia valittaessa on otettava huomioon sellaiset tekijät kuin lämpölaajenemiskerroin, lämmönjohtavuus, lujuus, kovuus, paino, pinnan kunto ja hinta.

Yleensä ottaen huomioon kustannukset ja tekninen suorituskyky alumiini on ihanteellinen valinta. Yleisiä alumiinilevyvaihtoehtoja ovat 6061, 5052, 1060 jne. Jos lämmönjohtavuudelle, mekaaniselle suorituskyvylle, sähköisuudelle ja muille erityisominaisuuksille on korkeammat vaatimukset, voidaan käyttää myös kuparia, ruostumatonta terästä, rautaa ja piiterästä.

Yleisiä LED-valaistustuotteissa alumiinisubstraattipiirilevyillä on kaksi puolta: toinen puoli on valkoinen LED-nastojen juottamista varten ja toinen puoli on luonnollista alumiinia, tyypillisesti päällystetty lämpötahnalla koskettaakseen lämpöä johtavaa osaa. Niitä käytetään pääasiassa LED-valaisimissa, audiolaitteissa, teholaitteissa jne., joiden tärkein etu on nopea lämmönjohtavuus ja erinomainen lämmönpoistokyky.

Perinteisiin verrattuna FR-4, alumiinisubstraatti-PCB-levyt voivat minimoida lämmönvastuksen ja tarjota erinomaisen lämmönjohtavuuden; keraamisiin alustoihin verrattuna niillä on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet.

 PCB-alumiinialustojen tyypit

1. Joustavat alumiinisubstraatit: Yksi viimeisimmistä IMS-materiaalien kehityksestä on joustavat eristeet. Nämä materiaalit tarjoavat erinomaisen sähköeristyksen, joustavuuden ja lämmönjohtavuuden. Kun niitä käytetään materiaaleihin, kuten 5754:ään tai vastaavaan joustavaan alumiiniin, ne voidaan muotoilla eri muotojen ja kulmien aikaansaamiseksi, jolloin kalliita kiinnittimiä, kaapeleita ja liittimiä ei tarvita. Vaikka nämä materiaalit ovat joustavia, ne on suunniteltu taipumaan paikoilleen ja pysymään paikoillaan.

2. Hybridialumiinisubstraatit: "Hybridi" IMS-rakenteessa ei-termiset aineet käsitellään itsenäisesti ja liitetään sitten alumiinisubstraattiin lämpömateriaalilla. Yleisin rakenne koostuu 2 tai 4 kerroksesta perinteisestä FR-4:stä valmistettuja osakomponentteja, jotka sitten liimataan alumiinipohjaan lämpöä johtavalla dielektrillä. Tämä voi auttaa lämmönpoistossa, parantaa jäykkyyttä ja toimia suojana. Muita etuja ovat:

• • Halvemmat kustannukset kuin kaikkien lämpömateriaalien rakentaminen.
  • Parempi lämpösuorituskyky kuin tavalliset FR-4-tuotteet.
  • Kalliiden jäähdytyslevyjen ja niihin liittyvien kokoonpanovaiheiden poistaminen.
  • Soveltuu RF-sovelluksiin, joissa tarvitaan PTFE-pintakerroksia RF-häviöominaisuuksia varten.
  • Alumiinisten komponenttiikkunoiden käyttö läpireikien komponenttien sovittamiseen, jolloin liittimet ja kaapelit kulkevat levyn läpi samalla, kun juotetaan pyöristetyt kulmat tiivisteen luomiseksi ilman erityisiä aluslevyjä tai muita kalliita sovittimia.

3. Monikerroksiset alumiinisubstraatit: Suorituskykyisten virtalähteiden markkinoilla monikerroksiset IMS-piirilevyt valmistetaan useista lämpöeristeen kerroksista. Näissä rakenteissa on yksi tai useampi kerros piirejä, jotka on upotettu eristeeseen, ja sokeita läpivientejä käytetään lämpöläpivientinä tai signaalipolkuina. Vaikka yksikerroksiset mallit ovat kalliimpia ja vähemmän tehokkaita lämmön siirtämisessä, ne tarjoavat yksinkertaisen ja tehokkaan lämmönpoistoratkaisun monimutkaisempiin malleihin.

4. Läpireikäiset alumiinisubstraatit: Monimutkaisimmissa rakenteissa alumiinikerros voi muodostaa monikerroksisten lämpörakenteiden "ytimen". Ennen laminointia alumiini esipinnoitetaan ja täytetään dielektrillä. Lämpömateriaalit tai osakomponentit voidaan laminoida alumiinin molemmille puolille lämpöliimakerroksen avulla. Laminoinnin jälkeen valmis komponentti on samanlainen kuin perinteinen monikerroksinen alumiinisubstraatti, joka on porattu alumiinin läpi. Pinnoitetut läpimenevät reiät kulkevat alumiinin rakojen läpi sähköeristyksen ylläpitämiseksi. Vaihtoehtoisesti kupariytimet voivat mahdollistaa suorat sähköliitännät sekä eristettyjä läpimeneviä reikiä.

PCB-alumiinialustojen edut

Erinomaisen lämmönpoistokykynsä lisäksi alumiinisubstraatti-PCB:llä on seuraavat edut:

• RoHS-ympäristövaatimusten noudattaminen.
• Sopii paremmin SMT-prosessiin.
• Suurempi virransiirtokapasiteetti.
• Tehokas lämmön diffuusion käsittely piirisuunnittelussa, moduulin käyttölämpötilan alentaminen, käyttöiän pidentäminen, tehotiheyden lisääminen ja luotettavuuden parantaminen.
• Jäähdytyslevyjen ja muiden laitteistojen (mukaan lukien lämpörajapintamateriaalit) kokoonpanon vähentäminen, tuotteen koon pienentäminen, laitteisto- ja kokoonpanokustannusten pienentäminen sekä teho- ja ohjauspiirien yhdistelmän optimointi.
• Hauraiden keraamisten alustojen vaihto parantaa mekaanista kestävyyttä.

Tavallisiin FR-4-levyihin verrattuna alumiinisubstraattipiirilevyllä on suuri etu, että se pystyy kuljettamaan suurempaa virtaa. Kuten FR-4, piirikerrokset käyttävät kuparifoliota johtimina liittämiseen. Verrattuna perinteiseen FR-4:ään, jolla on sama paksuus ja linjan leveys, alumiinisubstraattipiirilevy voi kuljettaa suurempaa virtaa.

Alumiinisubstraatti PCB:n ydinteknologia on välieristyskerroksen materiaalissa, joka palvelee pääasiassa liimaus-, eristys- ja lämmönjohtamistoimintoja. Alumiinisubstraatti-PCB-eristekerros on suurin lämpösulku tehomoduulien rakenteessa. Mitä parempi eristekerroksen lämmönjohtavuus, sitä suotuisampi se on laitteen toiminnan aikana syntyvän lämmön diffuusiolle, mikä puolestaan ​​alentaa laitteen käyttölämpötilaa, saavuttaa suuremman moduulin tehokuormituksen, pienentää kokoa, pidentää käyttöikää ja lisää tehoa. Vaikka se täyttää hyvän lämmönjohtavuuden vaatimuksen, sillä tulisi olla myös korkeajänniteeristyskyky.

Erot alumiinipohjan ja FR-4-levyn välillä

Lämpöhäviö

Suurin ero alumiinipohjaisen kuparipäällysteisen laminaatin (CCL) ja perinteisen FR-4 CCL:n välillä piilee niiden lämmönpoistoominaisuuksissa. Esimerkiksi verrattuna 1.5 mm:n paksuiseen FR-4 CCL:ään alumiinipohjaisen CCL:n lämpövastus on 20-22 ℃ edellisellä ja 1.0-2.0 ℃ jälkimmäisellä, mikä on huomattavasti pienempi.

Lämpölaajenemiskerroin

Tyypillisesti FR-4-levyt kärsivät lämpölaajenemisongelmista, joissa korkeat lämpötilat voivat aiheuttaa muutoksia paksuudessa ja tasaisuudessa erityisesti paksuuden suunnassa, mikä vaikuttaa metallipinnoitettujen reikien ja piirien laatuun. Tämä johtuu pääasiassa erilaisista lämpölaajenemiskertoimista materiaalin paksuuden suunnassa: kuparin kerroin on 17×10^-6 cm/cm℃, kun taas FR-4-levyn pohjamateriaali on 110×10^-6 cm/cm℃, mikä voi helposti johtaa lämpölaajenemisvaikutuksiin. Alumiinipohjaisten levyjen lämpölaajenemiskerroin on 50×10^-6 cm/cm℃, pienempi kuin yleisillä FR-4-levyillä ja lähempänä kuparifolion lämpölaajenemiskerrointa. Tämä auttaa varmistamaan painettujen piirilevyjen laadun ja luotettavuuden.

Päähakemukset

FR-4-kortit soveltuvat yleiseen piirisuunnitteluun ja tavallisiin elektroniikkatuotteisiin. Alumiinipohjaiset levyt soveltuvat erityisvaatimuksia vaativiin piireihin, kuten paksukalvohybridiintegroituihin piireihin, tehopiirien lämmönpoistoon, piirien komponenttien jäähdytykseen, suurikokoisiin substraatteihin, joita keraamiset alustat eivät pysty käsittelemään, sekä piireihin, joissa tavalliset jäähdytyslevyt eivät pysty ratkaisemaan luotettavuusongelmia.

työstettävyys

Alumiinipohjaisilla levyillä on korkea mekaaninen lujuus ja sitkeys, mikä on parempi kuin FR-4-levyt. Siksi alumiinipohjaisille levyille voidaan valmistaa suuripintaisia ​​painettuja levyjä ja sellaisille alustoille voidaan asentaa raskaita komponentteja.

Sähköinen suorituskyky

FR-4-levyihin verrattuna alumiinipohjaisilla levyillä on korkeampi lämmönjohtavuus, mikä lisää merkittävästi johtimien virransiirtokykyä. Tämä osoittaa alumiinipohjaisten levyjen korkean lämmönjohtavuuden. Alumiinipohjaisten levyjen lämmönpoisto liittyy niiden eristekerroksen paksuuteen ja lämmönjohtavuuteen. Ohuemmat eristekerrokset johtavat alumiinipohjaisten levyjen korkeampaan lämmönjohtavuuteen (mutta heikompi kestävyys jännitettä). Elektronisten piirien suorituskyvyn varmistamiseksi joidenkin elektroniikkatuotteiden komponenttien on estettävä sähkömagneettinen säteily ja häiriöt. Alumiinipohjaiset levyt voivat toimia suojalevyinä sähkömagneettisten aaltojen suojaamiseksi.

Eristyskyky

Yleisissä olosuhteissa alumiinipohjaisten levyjen läpilyöntijännite määräytyy eristekerroksen paksuuden mukaan, läpilyöntijännitteen ollessa yleensä noin 500 V. Jos haluat testata LED-loistelamppujen alumiinipohjaisen levyn läpilyöntijännitettä, sinun tarvitsee vain suorittaa tuloportin kotelon suurjännitetesti. UL- ja CE-sertifiointiarvojen tulee olla 2500V ja 3C-sertifioinnin noin 3750V.