アルミニウム基板 PCB の理解: 種類と利点

プリント基板（PCB）は、ほぼすべての電子機器に不可欠な部品です。このガイドでは、PCBへの理解を深めるために、PCB用アルミ基板の種類と、PCBコピーにおける一般的な課題について解説します。PCBやこの記事の内容にご興味をお持ちの方は、ぜひ読み進めてください。

アルミニウム基板 PCB の特徴は何ですか?

先ほど、セラミック基板の長所と短所について議論し、その欠点の一つとして高コストと脆さを挙げました。標準的なグラスファイバー基板は放熱性に欠けますが、セラミック基板は高温多湿環境下でも安定しており変形しにくいものの、高価であるため主にハイエンド製品に使用されています。もし貴社の製品がハイエンド製品ではなく、例えば放熱性を重視しつつコスト効率も求められる大面積・高出力LEDライトボードなどであれば、条件に合う材料はあるのでしょうか？

答えはイエスです。そこでアルミニウム基板プリント基板が登場します。導電性を持つ金属であるアルミニウムは、プリント基板材料としては奇妙な選択に思えるかもしれませんが、アルミニウム基板プリント基板は、銅箔、絶縁層、金属アルミニウム層の3つの層で構成されています。絶縁層があるため、金属層にはアルミニウム以外の材料を使用できるのでしょうか？銅、ステンレス鋼、鉄、ケイ素鋼などの材料は？金属基板を選択する際には、熱膨張係数、熱伝導率、強度、硬度、重量、表面状態、コストなどの要素を考慮する必要があります。

一般に、コストと技術的性能を考慮すると、アルミニウムが理想的な選択です。アルミニウム基板の一般的な選択肢には、6061、5052、1060 などが含まれます。熱伝導率、機械的性能、電気的性能、その他の特殊な特性に対するより高い要件がある場合は、銅、ステンレス鋼、鉄、シリコン鋼も使用できます。

LED 照明製品では一般的に、アルミニウム基板 PCB には 2 つの面があります。1 つは LED ピンをはんだ付けするための白色で、もう 1 つの面は自然なアルミニウム色で、通常、熱伝導部品と接触するためにサーマル ペーストがコーティングされています。主にLED照明器具、音響機器、電力機器などに使用されており、熱伝導が速く、放熱性に優れていることが大きな特徴です。

従来のFR-4基板と比較して、アルミニウム基板のプリント基板は熱抵抗を最小限に抑え、優れた熱伝導性を実現できます。また、セラミック基板と比較して、優れた機械的特性を備えています。

 PCBアルミニウム基板の種類

1. フレキシブルアルミニウム基板：IMS材料における最新の開発の一つに、フレキシブル誘電体があります。これらの材料は、優れた電気絶縁性、柔軟性、および熱伝導性を備えています。5754などのフレキシブルアルミニウム材料に適用すると、さまざまな形状や角度に成形できるため、高価な治具、ケーブル、コネクタが不要になります。これらの材料は柔軟性がありますが、所定の位置に曲げられ、その位置を維持するように設計されています。

2. ハイブリッドアルミニウム基板：ハイブリッドIMS構造では、非熱伝導性物質が個別に加工され、その後、熱伝導性材料でアルミニウム基板に接合されます。最も一般的な構造は、従来のFR-4で作られた2層または4層のサブコンポーネントで構成され、これらが熱伝導性誘電体でアルミニウムベースに接合されます。これにより、放熱性の向上、剛性の向上、およびシールドとしての役割が果たされます。その他の利点としては、次のものが挙げられます。

• • すべての断熱材を施工するよりも低コストです。
  • 標準のFR-4製品よりも優れた熱性能。
  • 高価なヒートシンクと関連する組み立て手順が不要になります。
  • RF 損失特性のために PTFE 表面層を必要とする RF アプリケーションに適しています。
  • アルミニウムのコンポーネントウィンドウを使用してスルーホールコンポーネントに対応し、特殊なワッシャーやその他の高価なアダプターを必要とせずに、コネクタとケーブルを基板に通し、丸い角をはんだ付けしてシールを作成できます。

3. 多層アルミ基板：高性能電源市場では、多層IMS基板は複数の熱誘電体層から構成されています。これらの構造では、誘電体層に1層以上の回路が埋め込まれており、ブラインドビアが熱伝導経路または信号経路として使用されます。単層設計はコストが高く、熱伝導効率も劣りますが、より複雑な設計に対してシンプルかつ効果的な放熱ソリューションを提供します。

4. 貫通穴付きアルミニウム基板：最も複雑な構造では、アルミニウム層が多層熱構造の「コア」を形成することがあります。積層前に、アルミニウムは事前にめっきされ、誘電体で満たされます。熱材料またはサブコンポーネントは、熱接着剤層を使用してアルミニウムの両面に積層できます。積層後、完成したコンポーネントは、アルミニウムに穴を開けた従来の多層アルミニウム基板に似ています。めっきされた貫通穴は、電気絶縁を維持するためにアルミニウムの隙間を貫通します。あるいは、銅コアを使用することで、絶縁された貫通穴だけでなく、直接的な電気接続も可能です。

PCBアルミニウム基板の利点

アルミニウム基板 PCB は、優れた放熱性能に加えて、次のような利点があります。

• RoHS 環境要件への準拠。
• SMTプロセスにさらに適しています。
• より高い電流容量。
• 回路設計における熱拡散の効果的な処理により、モジュールの動作温度が低下し、耐用年数が延長され、電力密度が向上し、信頼性が向上します。
• ヒートシンクおよびその他のハードウェア（サーマルインターフェース材料を含む）の組み立ての削減、製品サイズの縮小、ハードウェアおよび組み立てコストの削減、および電源回路と制御回路の組み合わせの最適化。
• 壊れやすいセラミック基板を置き換えて機械的耐久性を向上させます。

通常の FR-4 基板と比較して、アルミ基板 PCB はより大きな電流を流すことができるという大きな利点があります。 FR-4と同様に、回路層は接続用の導体として銅箔を使用します。同じ厚さと線幅を持つ従来の FR-4 と比較して、アルミニウム基板 PCB はより高い電流を流すことができます。

アルミ基板PCBの核心技術は中間絶縁層材料にあり、主に接着、絶縁、熱伝導の機能を果たします。アルミニウム基板 PCB の絶縁層は、パワーモジュールの構造の中で最大の熱障壁となります。絶縁層の熱伝導率が高いほど、デバイスの動作中に発生する熱の拡散が促進され、デバイスの動作温度の低下、モジュールの高電力負荷の達成、サイズの縮小に役立ちます。寿命を延ばし、出力を向上させます。良好な熱伝導率の要件を満たしながら、高電圧絶縁能力も備えている必要があります。

アルミベースとFR-4基板の違い

熱放散

アルミニウムベースの銅張積層板 (CCL) と従来の FR-4 CCL の最大の違いは、その放熱特性にあります。例えば、厚さ1.5mmのFR-4 CCLと比較すると、アルミ系CCLの熱抵抗は前者で20～22℃、後者で1.0～2.0℃と大幅に低くなります。

熱膨張係数

通常、FR-4 基板は熱膨張の問題に悩まされており、高温により厚さと平坦度、特に厚さ方向に変化が生じ、金属メッキされた穴や回路の品質に影響を与える可能性があります。これは主に材料の厚さ方向の熱膨張係数の違いによるものです。銅の熱膨張係数は 17×10^-6 cm/cm℃であるのに対し、FR-4 基板ベースの材料は 110×10^-6 cm/cm です。 ℃、これは熱膨張の影響を容易に引き起こす可能性があります。アルミ系基板の熱膨張係数は50×10^-6 cm/cm℃であり、一般的なFR-4基板よりも小さく、銅箔に近くなります。これは、プリント基板の品質と信頼性の確保に役立ちます。

主な用途

FR-4 ボードは、一般的な回路設計や通常の電子製品に適しています。アルミニウムベースの基板は、厚膜ハイブリッド集積回路、電源回路の放熱、回路内のコンポーネントの冷却、セラミック基板では対応できない大型基板、通常のヒートシンクでは解決できない回路など、特殊な要件を持つ回路に適しています。信頼性の問題。

被削性

アルミニウムベースのボードは高い機械的強度と靭性を備えており、FR-4 ボードよりも優れています。したがって、アルミニウムベースの基板上に大面積のプリント基板を製造することができ、そのような基板上に重量部品を実装することができます。

電気的性能

FR-4 基板と比較して、アルミニウムベースの基板は熱伝導率が高いため、導体の電流容量が大幅に増加します。これは、アルミニウムベースの基板の熱伝導率の高さを示しています。アルミニウムベースの基板の放熱は、絶縁層の厚さと熱伝導率に関係します。絶縁層が薄いと、アルミニウムベースの基板の熱伝導率が高くなります (ただし、耐電圧性能は低くなります)。電子回路の性能を確保するために、電子製品の一部の部品は電磁放射や干渉を防ぐ必要があります。アルミベースの基板は電磁波を遮蔽するシールド板として機能します。

絶縁性能

一般的な条件下では、アルミニウムベースの基板の耐電圧は絶縁層の厚さによって決まり、一般に耐電圧は約 500 V です。 LED 蛍光灯のアルミニウムベースの基板の耐圧をテストする必要がある場合は、入力ポートのハウジングで高電圧テストを実行するだけで済みます。 UL および CE 認証の値は 2500V、3C 認証の値は約 3750V である必要があります。