Az alumínium szubsztrát PCB megértése: típusai és előnyei

A NYÁK-ok, vagy nyomtatott áramköri lapok, szinte minden elektronikus eszköz alapvető alkotóelemei. A NYÁK-okkal kapcsolatos ismereteid bővítése érdekében ez az útmutató bemutatja a NYÁK-alumínium aljzatok típusait és a NYÁK-másolás gyakori akadályait. Ha érdekelnek a NYÁK-ok vagy a cikk tartalma, nyugodtan folytasd az olvasást.

Mitől tűnnek ki az alumínium szubsztrát PCB-k?

Korábban már tárgyaltuk a kerámia NYÁK-ok előnyeit és hátrányait, megjegyezve, hogy az egyik hátrányuk a magas költségük és törékenységük. A hagyományos üvegszálas NYÁK-ok nem rendelkeznek jó hőelvezetéssel, míg a kerámia NYÁK-ok stabilak és ellenállnak a deformációnak magas hőmérsékletű és magas páratartalmú környezetben, de drágák, és főként csúcskategóriás termékekben használják őket. Ha a terméked nem csúcskategóriás, például nagy felületű, nagy teljesítményű LED-es világítótáblák, amelyek jó hőelvezetést igényelnek, de költséghatékonyak, van-e olyan anyag, amely megfelel az elvárásoknak?

A válasz igen, és itt jönnek képbe az alumínium hordozós NYÁK-ok. Az alumínium, mivel vezetőképes fém, furcsának tűnhet a NYÁK-anyag szempontjából , de az alumínium hordozós NYÁK-ok három rétegből állnak: rézfóliából, egy szigetelőrétegből és egy fém-alumínium rétegből. Mivel van szigetelőréteg, használhatók-e az alumíniumon kívül más anyagok is a fémréteghez? Olyan anyagok, mint a réz, rozsdamentes acél, vas, szilíciumacél stb.? A fém hordozó kiválasztásakor olyan tényezőket kell figyelembe venni, mint a hőtágulási együttható, a hővezető képesség, a szilárdság, a keménység, a súly, a felületi állapot és a költség.

Általában véve, figyelembe véve a költségeket és a műszaki teljesítményt, az alumínium ideális választás. Az alumíniumlemezek általános választása a 6061, 5052, 1060 stb.. Ha magasabb követelményeket támasztanak a hővezető képességgel, a mechanikai teljesítőképességgel, az elektromos teljesítőképességgel és más speciális tulajdonságokkal kapcsolatban, akkor réz, rozsdamentes acél, vas és szilikonacél is használható.

A LED-es világítástechnikai termékekben elterjedt, alumínium hordozós nyomtatott áramköri lapoknak két oldaluk van: az egyik fehér oldal a LED-csapok forrasztásához, a másik pedig természetes alumínium színű, jellemzően hőpasztával bevonva, hogy érintkezzen a hővezető részekkel. Főleg LED-es lámpatestekben, audioberendezésekben, teljesítmény-berendezésekben stb. használják, fő előnyük a gyors hővezetés és a kiváló hőelvezetési teljesítmény.

A hagyományos FR-4- hez képest az alumínium hordozós NYÁK-ok minimalizálhatják a hőállóságot, kiváló hővezetést biztosítva; a kerámia hordozókkal összehasonlítva kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek.

 A PCB alumínium szubsztrátumok típusai

1. Rugalmas alumínium hordozók : Az IMS anyagok egyik legújabb fejlesztése a rugalmas dielektrikum. Ezek az anyagok kiváló elektromos szigetelést, rugalmasságot és hővezető képességet kínálnak. Olyan anyagokra alkalmazva, mint az 5754 vagy hasonló rugalmas alumínium, különböző formákra és szögekre alakíthatók, kiküszöbölve a drága szerelvények, kábelek és csatlakozók szükségességét. Bár ezek az anyagok rugalmasak, úgy tervezték őket, hogy a helyükre hajoljanak és a helyükön maradjanak.

2. Hibrid alumínium hordozók : Egy „hibrid” IMS struktúrában a nem termikus anyagokat függetlenül dolgozzák fel, majd hővezető anyaggal kötik az alumínium hordozóhoz. A leggyakoribb struktúra 2 vagy 4 réteg hagyományos FR-4-ből készült alkotóelemből áll, amelyeket aztán hővezető dielektrikummal kötnek az alumínium alaphoz. Ez segíthet a hőelvezetésben, javíthatja a merevséget, és árnyékolásként is működhet. További előnyök:

• • Alacsonyabb költség, mint az összes termikus anyag megépítése.
  • Jobb hőteljesítmény, mint a szabványos FR-4 termékek.
  • A drága hűtőbordák és a kapcsolódó összeszerelési lépések megszüntetése.
  • Alkalmas olyan rádiófrekvenciás alkalmazásokhoz, amelyek PTFE felületi rétegeket igényelnek az RF veszteségi jellemzők miatt.
  • Alumínium komponensablakok használata az átmenő furatú alkatrészek elhelyezésére, lehetővé téve a csatlakozók és kábelek áthaladását a táblán, miközben lekerekített sarkokat forrasztanak a tömítés érdekében, anélkül, hogy speciális alátétekre vagy más drága adapterekre lenne szükség.

3. Többrétegű alumínium hordozók : A nagy teljesítményű tápegységek piacán a többrétegű IMS NYÁK-ok több hőszigetelő rétegből készülnek. Ezek a struktúrák egy vagy több áramköri réteget tartalmaznak, amelyek a dielektrikumba vannak ágyazva, és vak furatokat használnak hőszigetelő furatként vagy jelútvonalként. Míg az egyrétegű kialakítások drágábbak és kevésbé hatékonyak a hőátadásban, egyszerű és hatékony hőelvezetési megoldást kínálnak a bonyolultabb kialakításokhoz.

4. Átmenőfuratos alumínium hordozók : A legösszetettebb szerkezetekben egy alumíniumréteg alkothatja a többrétegű hőszerkezetek „magját”. Laminálás előtt az alumíniumot előbevonattal látják el és dielektromos anyaggal töltik meg. A hőszigetelő anyagok vagy alkotóelemek az alumínium mindkét oldalára laminálhatók egy hőragasztó réteg segítségével. Laminálás után a kész alkatrész hasonló egy hagyományos, többrétegű alumínium hordozóhoz, amelyet átfúrtak az alumíniumon. A galvanizált átmenőfuratok áthaladnak az alumínium résein az elektromos szigetelés fenntartása érdekében. Alternatív megoldásként a rézmagok lehetővé teszik a közvetlen elektromos csatlakozásokat, valamint a szigetelt átmenőfuratokat.

A PCB alumínium hordozók előnyei

A kiváló hőelvezetési teljesítmény mellett az alumínium hordozó PCB a következő előnyökkel rendelkezik:

• Az RoHS környezetvédelmi követelményeknek való megfelelés.
• Alkalmasabb az SMT folyamathoz.
• Nagyobb áramfelvételi kapacitás.
• A hődiffúzió hatékony kezelése az áramkör tervezésében, a modul működési hőmérsékletének csökkentése, az élettartam meghosszabbítása, a teljesítménysűrűség növelése és a megbízhatóság javítása.
• A hűtőbordák és egyéb hardverek összeszerelésének csökkentése (beleértve a termikus interfész anyagokat), a termék méretének zsugorodása, a hardver- és összeszerelési költségek csökkentése, valamint a tápáramkörök és a vezérlőáramkörök kombinációjának optimalizálása.
• Törékeny kerámia hordozók cseréje a jobb mechanikai tartósság érdekében.

A közönséges FR-4 lapokhoz képest az alumínium szubsztrát PCB-nek nagy előnye van, mivel nagyobb áramot képes szállítani. Az FR-4-hez hasonlóan az áramköri rétegek rézfóliát használnak a csatlakozáshoz. A hagyományos FR-4-hez képest azonos vastagsággal és vonalszélességgel az alumínium hordozó PCB nagyobb áramot képes szállítani.

Az alumínium szubsztrát NYÁK alaptechnológiája a köztes szigetelőréteg anyagában rejlik, amely főként a kötési, szigetelési és hővezetési funkciókat látja el. Az alumínium szubsztrát NYÁK szigetelőrétege a legnagyobb hőzáró réteg a teljesítménymodulok szerkezetében. Minél jobb a szigetelőréteg hővezető képessége, annál jobban elősegíti a készülék működése során keletkező hő diffúzióját, ami viszont elősegíti a készülék üzemi hőmérsékletének csökkentését, a modul nagyobb teljesítményterhelésének elérését, a méret csökkentését, meghosszabbítja az élettartamot és növeli a teljesítményt. A jó hővezető képesség követelményének teljesítése mellett nagyfeszültségű szigetelési képességgel is rendelkeznie kell.

Az Aluminium Base és az FR-4 Board közötti különbségek

Hőleadás

A legnagyobb különbség az alumínium alapú rézbevonatú laminátum (CCL) és a hagyományos FR-4 CCL között a hőelvezetési tulajdonságaikban rejlik. Például egy 1.5 mm vastag FR-4 CCL-hez képest az alumínium alapú CCL hőellenállása az előbbinél 20-22 ℃, az utóbbinál pedig 1.0-2.0 ℃, ami lényegesen alacsonyabb.

Hőtágulási együttható

Az FR-4 lapok jellemzően hőtágulási problémákkal küzdenek, ahol a magas hőmérséklet változást okozhat a vastagságban és a laposságban, különösen a vastagság irányában, ami befolyásolja a fémbevonatú lyukak és áramkörök minőségét. Ez elsősorban az anyagvastagság irányú eltérő hőtágulási együtthatóinak köszönhető: a réz 17×10^-6 cm/cm℃, míg az FR-4 lap alapanyaga 110×10^-6 cm/cm. ℃, ami könnyen hőtágulási hatásokhoz vezethet. Az alumínium alapú táblák hőtágulási együtthatója 50×10^-6 cm/cm℃, kisebb, mint az általános FR-4 lapoké, és közelebb áll a rézfóliáéhoz. Ez segít biztosítani a nyomtatott áramköri lapok minőségét és megbízhatóságát.

Fő alkalmazások

Az FR-4 kártyák általános áramköri tervezéshez és hagyományos elektronikai termékekhez alkalmasak. Az alumínium alapú lapok speciális követelményeket támasztó áramkörökhöz alkalmasak, mint például vastagfilmes hibrid integrált áramkörök, hőelvezetés az áramkörökben, az áramkörökben lévő alkatrészek hűtése, a nagyméretű hordozók, amelyeket a kerámia hordozók nem tudnak kezelni, és olyan áramkörök, ahol a hagyományos hűtőbordák nem képesek megoldani megbízhatósági problémák.

megmunkálhatósága

Az alumínium alapú lapok nagy mechanikai szilárdsággal és szívóssággal rendelkeznek, ami jobb, mint az FR-4 táblák. Ezért alumínium alapú táblákra nagy felületű nyomtatott táblákat lehet gyártani, és nehéz alkatrészeket is fel lehet szerelni az ilyen hordozókra.

Elektromos teljesítmény

Az FR-4 lapokhoz képest az alumínium alapú lapok hővezető képessége nagyobb, ami a vezetők áramvezető képességének jelentős növekedéséhez vezet. Ez az alumínium alapú táblák magas hővezető képességét jelzi. Az alumínium alapú táblák hőleadása szigetelőrétegük vastagságával és hővezető képességével függ össze. A vékonyabb szigetelőrétegek nagyobb hővezető képességet eredményeznek az alumínium alapú tábláknál (de alacsonyabb a feszültségállóság). Az elektronikus áramkörök teljesítményének biztosítása érdekében az elektronikai termékek egyes alkatrészeinek meg kell akadályozniuk az elektromágneses sugárzást és az interferenciát. Az alumínium alapú lapok árnyékoló lemezként működhetnek az elektromágneses hullámok árnyékolására.

Szigetelési teljesítmény

Általános körülmények között az alumínium alapú lapok áttörési feszültségét a szigetelőréteg vastagsága határozza meg, az áttörési feszültség általában 500 V körül van. Ha egy LED-es fénycső alumínium alapú kártya áttörési feszültségét szeretné tesztelni, akkor csak nagyfeszültségű tesztet kell végeznie a bemeneti port házán. Az UL és CE tanúsítvány értékének 2500 V-nak, a 3C tanúsítványnak pedig 3750 V körülinek kell lennie.