Comprensione del PCB con substrato di alluminio: tipi e vantaggi

I PCB, o circuiti stampati, sono componenti essenziali in quasi tutti i dispositivi elettronici. Per approfondire la tua conoscenza dei PCB, questa guida illustrerà i tipi di substrati in alluminio per PCB e gli ostacoli più comuni nella copia di PCB. Se sei interessato ai PCB o al contenuto di questo articolo, continua a leggere.

Cosa distingue i PCB con substrato in alluminio?

In precedenza, abbiamo discusso i pro e i contro dei PCB ceramici, evidenziando come svantaggio risiedano il costo elevato e la fragilità. I ​​PCB standard in fibra di vetro presentano una scarsa dissipazione del calore, mentre i PCB ceramici sono stabili e resistenti alla deformazione in ambienti ad alta temperatura e umidità, ma sono costosi e utilizzati principalmente in prodotti di fascia alta. Se il vostro prodotto non è di fascia alta, come ad esempio le schede LED ad alta potenza e di grandi dimensioni che richiedono una buona dissipazione del calore ma sono economiche, esiste un materiale che soddisfi queste esigenze?

La risposta è sì, ed è qui che entrano in gioco i PCB con substrato in alluminio. L'alluminio, essendo un metallo conduttivo, potrebbe sembrare una scelta insolita per un PCB , ma i PCB con substrato in alluminio sono costituiti da tre strati: una lamina di rame, uno strato isolante e uno strato metallico di alluminio. Dato che è presente uno strato isolante, è possibile utilizzare altri materiali oltre all'alluminio per lo strato metallico? Materiali come rame, acciaio inossidabile, ferro, acciaio al silicio, ecc.? Nella scelta del substrato metallico, è necessario considerare fattori quali il coefficiente di dilatazione termica, la conduttività termica, la resistenza, la durezza, il peso, le condizioni superficiali e il costo.

In generale, considerando costi e prestazioni tecniche, l’alluminio è la scelta ideale. Le scelte comuni per i pannelli in alluminio includono 6061, 5052, 1060, ecc. Se sono presenti requisiti più elevati di conduttività termica, prestazioni meccaniche, prestazioni elettriche e altre proprietà speciali, è possibile utilizzare anche rame, acciaio inossidabile, ferro e acciaio al silicio.

Comuni nei prodotti di illuminazione a LED, i PCB con substrato in alluminio hanno due lati: un lato bianco per la saldatura dei pin LED e l'altro lato è di colore alluminio naturale, generalmente rivestito con pasta termica per entrare in contatto con la parte conduttrice di calore. Sono utilizzati principalmente negli apparecchi di illuminazione a LED, nelle apparecchiature audio, nelle apparecchiature di potenza, ecc., con il vantaggio principale di una rapida conduzione del calore e di eccellenti prestazioni di dissipazione del calore.

Rispetto al tradizionale FR-4 , i PCB con substrato in alluminio possono ridurre al minimo la resistenza termica, garantendo un'eccellente conduzione del calore; rispetto ai substrati ceramici, presentano inoltre eccellenti proprietà meccaniche.

 Tipi di substrati in alluminio per PCB

1. Substrati flessibili in alluminio : Uno degli ultimi sviluppi nel campo dei materiali IMS è rappresentato dai dielettrici flessibili. Questi materiali offrono un eccellente isolamento elettrico, flessibilità e conduttività termica. Se applicati a materiali come l'alluminio 5754 o simili, possono essere modellati per ottenere varie forme e angolazioni, eliminando la necessità di costosi dispositivi di fissaggio, cavi e connettori. Sebbene questi materiali siano flessibili, sono progettati per piegarsi e rimanere in posizione.

2. Substrati ibridi in alluminio : In una struttura IMS "ibrida", le sostanze non termiche vengono elaborate separatamente e poi legate al substrato di alluminio con un materiale termico. La struttura più comune è composta da 2 o 4 strati di sottocomponenti realizzati in FR-4 tradizionale, che vengono poi legati alla base di alluminio con un dielettrico termicamente conduttivo. Questo può contribuire alla dissipazione del calore, migliorare la rigidità e fungere da schermatura. Altri vantaggi includono:

• • Costo inferiore rispetto alla costruzione di tutti i materiali termici.
  • Migliori prestazioni termiche rispetto ai prodotti FR-4 standard.
  • Eliminazione dei costosi dissipatori di calore e delle relative fasi di assemblaggio.
  • Adatto per applicazioni RF che richiedono strati superficiali in PTFE per caratteristiche di perdita RF.
  • Utilizzo di finestre dei componenti in alluminio per accogliere componenti a foro passante, consentendo a connettori e cavi di passare attraverso la scheda mentre si saldano gli angoli arrotondati per creare una tenuta, senza la necessità di rondelle speciali o altri adattatori costosi.

3. Substrati in alluminio multistrato : nel mercato degli alimentatori ad alte prestazioni, i PCB IMS multistrato sono realizzati con più strati di dielettrico termico. Queste strutture presentano uno o più strati di circuiti incorporati nel dielettrico, con vie cieche utilizzate come vie termiche o percorsi di segnale. Sebbene i progetti a singolo strato siano più costosi e meno efficienti nel trasferimento del calore, offrono una soluzione di dissipazione del calore semplice ed efficace per progetti più complessi.

4. Substrati in alluminio con fori passanti : Nelle strutture più complesse, uno strato di alluminio può costituire il "nucleo" di strutture termiche multistrato. Prima della laminazione, l'alluminio viene pre-placcato e riempito con un dielettrico. Materiali termici o sottocomponenti possono essere laminati su entrambi i lati dell'alluminio utilizzando uno strato di adesivo termico. Una volta laminato, il componente completato è simile a un tradizionale substrato in alluminio multistrato forato. I fori passanti placcati attraversano gli spazi nell'alluminio per mantenere l'isolamento elettrico. In alternativa, i nuclei in rame possono consentire connessioni elettriche dirette e fori passanti isolati.

Vantaggi dei substrati in alluminio per PCB

Oltre alle eccellenti prestazioni di dissipazione del calore, il PCB con substrato in alluminio presenta i seguenti vantaggi:

• Conformità ai requisiti ambientali RoHS.
• Più adatto per il processo SMT.
• Maggiore capacità di trasporto di corrente.
• Gestione efficace della diffusione del calore nella progettazione del circuito, riduzione della temperatura operativa del modulo, estensione della durata di servizio, aumento della densità di potenza e miglioramento dell'affidabilità.
• Riduzione dell'assemblaggio di dissipatori di calore e altro hardware (compresi i materiali di interfaccia termica), riduzione delle dimensioni del prodotto, riduzione dei costi di hardware e assemblaggio e ottimizzazione della combinazione di circuiti di alimentazione e circuiti di controllo.
• Sostituzione di substrati ceramici fragili per una migliore durabilità meccanica.

Rispetto alle normali schede FR-4, il PCB con substrato in alluminio presenta il grande vantaggio di poter trasportare una corrente più elevata. Come l'FR-4, gli strati del circuito utilizzano un foglio di rame come conduttori per la connessione. Rispetto al tradizionale FR-4, con lo stesso spessore e larghezza della linea, il PCB con substrato in alluminio può trasportare una corrente più elevata.

La tecnologia principale del PCB con substrato in alluminio risiede nel materiale dello strato isolante intermedio, che svolge principalmente le funzioni di incollaggio, isolamento e conduzione termica. Lo strato isolante del PCB con substrato in alluminio è la più grande barriera termica nella struttura dei moduli di potenza. Migliore è la conduttività termica dello strato isolante, più favorisce la diffusione del calore generato durante il funzionamento del dispositivo, che a sua volta favorisce la riduzione della temperatura operativa del dispositivo, ottenendo un carico di potenza più elevato del modulo, riducendo le dimensioni, prolungare la vita e aumentare la potenza erogata. Pur soddisfacendo i requisiti di buona conduttività termica, dovrebbe anche avere capacità di isolamento ad alta tensione.

Differenze tra base in alluminio e scheda FR-4

Dissipazione di calore

La più grande differenza tra il laminato rivestito in rame (CCL) a base di alluminio e il convenzionale FR-4 CCL risiede nelle loro proprietà di dissipazione del calore. Ad esempio, rispetto a un CCL FR-1.5 da 4 mm di spessore, la resistenza termica di un CCL a base di alluminio è di 20-22 ℃ per il primo e di 1.0-2.0 ℃ per il secondo, che è significativamente inferiore.

Coefficiente di espansione termica

In genere, le schede FR-4 soffrono di problemi di espansione termica, in cui le alte temperature possono causare cambiamenti di spessore e planarità, soprattutto nella direzione dello spessore, influenzando la qualità dei fori e dei circuiti placcati in metallo. Ciò è dovuto principalmente ai diversi coefficienti di dilatazione termica nella direzione dello spessore del materiale: il rame ha un coefficiente di 17×10^-6 cm/cm℃, mentre il materiale di base del pannello FR-4 è 110×10^-6 cm/cm ℃, che può facilmente portare a effetti di dilatazione termica. Il coefficiente di dilatazione termica dei pannelli a base di alluminio è 50×10^-6 cm/cm℃, inferiore a quello dei pannelli FR-4 generali e più vicino a quello dei fogli di rame. Ciò aiuta a garantire la qualità e l'affidabilità dei circuiti stampati.

Applicazioni principali

Le schede FR-4 sono adatte per la progettazione di circuiti generali e prodotti elettronici ordinari. Le schede a base di alluminio sono adatte per circuiti con requisiti speciali, come circuiti integrati ibridi a film spesso, dissipazione del calore per circuiti di potenza, raffreddamento di componenti nei circuiti, substrati di grandi dimensioni che i substrati ceramici non possono gestire e circuiti in cui i normali dissipatori di calore non possono risolvere problemi di affidabilità.

lavorabilità

I pannelli a base di alluminio hanno un'elevata resistenza meccanica e tenacità, superiori ai pannelli FR-4. Pertanto, è possibile produrre schede stampate di grandi dimensioni su pannelli a base di alluminio e su tali substrati è possibile installare componenti pesanti.

Prestazioni elettriche

Rispetto alle schede FR-4, le schede a base di alluminio hanno una maggiore conduttività termica, portando ad un aumento significativo della capacità di trasporto di corrente dei conduttori. Ciò indica l'elevata conduttività termica dei pannelli a base di alluminio. La dissipazione del calore dei pannelli a base di alluminio è correlata allo spessore del loro strato isolante e alla conduttività termica. Strati isolanti più sottili determinano una maggiore conduttività termica dei pannelli a base di alluminio (ma prestazioni di tensione di resistenza inferiori). Per garantire le prestazioni dei circuiti elettronici, alcuni componenti dei prodotti elettronici devono prevenire radiazioni e interferenze elettromagnetiche. I pannelli a base di alluminio possono fungere da piastre schermanti per schermare le onde elettromagnetiche.

Prestazioni di isolamento

In condizioni generali, la tensione di rottura dei pannelli a base di alluminio è determinata dallo spessore dello strato isolante, con una tensione di rottura generalmente intorno ai 500V. Se è necessario testare la tensione di rottura di una scheda a base di alluminio di una lampada fluorescente LED, è sufficiente eseguire un test ad alta tensione sull'alloggiamento della porta di ingresso. I valori di certificazione UL e CE dovrebbero essere 2500 V e la certificazione 3C dovrebbe essere di circa 3750 V.