8 stappen voor het produceren van een perfecte aluminium printplaat

Een aluminium printplaat bestaat om één reden: warmte afvoeren uit een circuit. Door de isolerende FR-4-kern te vervangen door een metalen basis, onttrekt een aluminium printplaat warmte aan de vermogenscomponenten en verdeelt deze over de hele plaat. Daarom wordt aluminium gebruikt in LED's, voedingen en automotive toepassingen. Maar "aluminium printplaat" beschrijft een gelaagde structuur die slechts zo goed is als de zwakste laag, en het productieproces kent stappen die niet voorkomen bij een standaard FR-4-productielijn. Deze handleiding beschrijft de acht stappen voor de productie van een aluminium printplaat, legt vervolgens de diëlektrische laag uit die bepaalt of de printplaat daadwerkelijk functioneert, en bespreekt de ontwerpvoorschriften en defecten die een perfecte aluminium printplaat onderscheiden van een defect exemplaar.

1. Wat is een aluminium printplaat?

Een aluminium printplaat is een printplaat met een metalen kern, opgebouwd uit drie aan elkaar verbonden lagen: een bovenste koperen circuitlaag , een thermisch geleidend diëlektricum in het midden en een aluminium basisplaat eronder. Stroom vloeit door het koper, het diëlektricum isoleert het elektrisch en geleidt tegelijkertijd warmte, en het aluminium fungeert als ingebouwde warmteverspreider en koelplaat.

Waarom ontwerpers voor aluminium kiezen in plaats van FR-4.

Standaard FR-4 is een thermische isolator, waardoor warmte van een vermogenscomponent zich ophoopt en de levensduur van de component verkort. Door over te stappen op een aluminium basis – het hart van een printplaat met metalen kern – kan de warmte via een pad met lage weerstand worden afgevoerd, terwijl ook de mechanische stijfheid en dimensionale stabiliteit worden verbeterd. Het nadeel is dat aluminium printplaten meestal enkellaags zijn en via een andere fabricageroute worden geproduceerd, zoals de acht onderstaande stappen toelichten. Voor een uitgebreidere uitleg over de constructie, zie wat een aluminium printplaat is.

2. De 8 stappen voor de productie van een aluminium printplaat

Het proces transformeert een met koper bekleed aluminiumlaminaat tot een afgewerkte, geteste printplaat. Elke stap heeft een kwaliteitscontrole die specifiek is voor de constructie met een metalen kern.

1. Materiaal selectie. Kies het koperbeklede aluminiumlaminaat — kopergewicht, diëlektrisch type en dikte, en aluminiumlegering en dikte — dat voldoet aan de thermische en elektrische eisen.
2. Op maat snijden. Knip of snijd het laminaat op de gewenste paneelgrootte en ga daarbij voorzichtig te werk om de aluminium laag te beschermen tegen deuken en krassen.
3. Boren. Boor gaten voor componenten en montage; aangezien de meeste aluminium printplaten enkelzijdig zijn, zijn de gaten niet door de metalen basis heen geplateerd en wordt het boren gecontroleerd om bramen en beschadiging van het diëlektricum te voorkomen.
4. Circuitpatronen. Lamineer een droge fotolaklaag, belicht deze door het kunstwerk heen en ontwikkel de laag om het koperen circuit te definiëren.
5. Etsen. Verwijder het blootgelegde koper door middel van etsen, zodat alleen het circuit overblijft, en verwijder vervolgens de resistlaag; etsen met gecontroleerde precisie beschermt fijne details en de breedte van de sporen.
6. Soldeer masker. Breng het soldeermasker aan op het koper en laat het uitharden, waarbij de contactpunten bloot blijven en het circuit wordt beschermd.
7. Zeefdruk (legenda). Print de legenda, markeringen en identificatiegegevens van de componenten.
8. Oppervlakteafwerking, profilering en testen. Breng de oppervlakteafwerking aan (HASL, ENIG of OSP), frees de printplaat tot de uiteindelijke contouren en voer vervolgens een elektrische test en inspectie uit.

De stap waar mensen over struikelen

Het frezen en boren van aluminium is niet hetzelfde als het frezen van FR-4 — het metaal genereert warmte en bramen, waardoor de juiste gereedschappen en aanvoer nodig zijn, en het diëlektricum mag niet barsten of in de gaten worden gedrukt. Een perfecte aluminium printplaat hangt af van het correct uitvoeren van de mechanische stappen (3 en 8) en de juiste behandeling van het diëlektricum, niet alleen van de circuitafbeelding.

3. De diëlektrische laag: waar de kwaliteit van aluminium printplaten wordt bepaald.

De enige laag die een goede aluminium printplaat onderscheidt van een middelmatige, is het diëlektricum. Dit diëlektricum heeft twee tegengestelde functies: het koper elektrisch isoleren van het aluminium en warmte van het koper naar het aluminium geleiden. Deze functies werken in tegengestelde richting.

De afweging tussen warmte en spanning

De thermische geleidbaarheid van het diëlektricum – doorgaans rond de 1–3 W/m·K, hoger voor hoogwaardige materialen – bepaalt hoe goed warmte erdoorheen gaat en vormt de eigenlijke bottleneck, aangezien het aluminium zelf warmte veel beter geleidt. Een dunner diëlektricum geleidt warmte beter, maar isoleert minder spanning , terwijl een dikker diëlektricum beter isoleert, maar warmer wordt. De keuze van het type en de dikte van het diëlektricum is daarom de belangrijkste technische beslissing bij elke MCPCB-diëlektrische laag en moet worden afgestemd op het vermogensverlies en de werkspanning van de printplaat. Specificeer het diëlektricum voor de toepassing – en kies niet standaard voor het goedkoopste of dunste – en de printplaat zal goed functioneren; een verkeerde keuze kan leiden tot oververhitting of defecten.

De markt voor printplaten met metalen kern, waartoe aluminium printplaten behoren, wordt geschat op een waarde van 13 tot 16 miljard dollar. De groei wordt vooral gedreven door ledverlichting (ongeveer 45% van de vraag) en auto-elektronica (ongeveer 30%) – de twee toepassingen die de volumes van aluminium printplaten opstuwen naarmate verlichting en elektrische voertuigen steeds meer worden geëlektrificeerd.

“Bij een aluminium printplaat zijn het koper en de metalen basis het makkelijke deel; het diëlektricum is waar de warmte zich ophoopt. Besteed je engineering daaraan: kies het diëlektricum dat past bij het vermogen en de spanning, en de printplaat doet de rest.”

— een procesingenieur voor printplaten met metalen kern

Het aflezen van de thermische waarden

De belangrijkste cijfers zijn gemakkelijk te vergelijken. FR-4 geleidt warmte met ongeveer 0.3 W/m·K ; het diëlektricum van een aluminium printplaat heeft een diëlektrische constante van ongeveer 1–3 W/m·K (hoogwaardige diëlektrica bereiken ~5–12), en de aluminium basis zelf heeft een diëlektrische constante van ongeveer 150–200 W/m·K . Omdat het diëlektricum verreweg de meest resistieve laag in de printplaatstapel is, domineert het de totale thermische weerstand van de printplaat (uitgedrukt in °C/W van junctie tot basis). Daarom verlaagt een dunner diëlektricum met een hogere geleidbaarheid de temperatuur van een vermogenscomponent – ​​en daarom gaat het te dun maken van het diëlektricum om de thermische prestaties te verbeteren uiteindelijk ten koste van de doorslagspanning die het ook moet leveren. De juiste specificatie brengt deze twee factoren in balans met het werkelijke vermogen en de werkspanning van de printplaat.

4. Ontwerpregels en veelvoorkomende defecten voor aluminium printplaten

Zelfs een goed geconstrueerde aluminium printplaat kan defect raken als bij het ontwerp geen rekening wordt gehouden met de specifieke eisen van een metalen kern. Een paar basisregels voorkomen de meeste problemen.

Ontwerpregels die ertoe doen

• Houd de koperen elementen en de afstand ertussen binnen de etscapaciteit van het gekozen kopergewicht.
• Zorg voor voldoende ruimte tussen het koper en de rand van de printplaat/montagegaten, zodat het diëlektrische materiaal zijn spanningsisolatie ten opzichte van het aluminium behoudt.
• Plaats de componenten met de hoogste warmteafvoer op de plek waar de warmteoverdracht naar het aluminium het kortst is.
• Plan de lay-out van de printplaat en de montage voor de routing en de koelinterface vanaf het begin.

Veelvoorkomende ontwerp- en inspectiefouten

• Diëlektrische schade of uitvloeiing door boringen/routering, wat de isolatie in gevaar brengt.
• Braam op het aluminium die de pasvorm en de thermische interface beïnvloeden.
• Delaminatie tussen lagen als gevolg van slechte laminering of thermische spanning.
• Verlaagde doorslagspanning door een diëlektrisch materiaal dat te dun of beschadigd is.
• Kromtrekken als gevolg van ongelijkmatige verwerking van de metalen basis.

De meeste problemen zijn terug te voeren op de mechanische stappen en de keuze van het diëlektricum. Daarom wordt een metaalkernleiding anders behandeld en geïnspecteerd dan een FR-4-leiding: de storingen bevinden zich in het metaal en het diëlektricum, niet in het koper.

5. Productie van aluminium PCB's bij Highleap

Aluminium printplaten zijn dagelijkse kost op onze metaalkernlijn, en de kwaliteit komt voort uit het feit dat we de diëlektrische en mechanische stappen als de meest kritische beschouwen. Bij Highleap selecteren we het koperbeklede aluminiumlaminaat op basis van uw thermische en spanningsvereisten, controleren we het boren en frezen van het metaal om bramen en beschadiging van het diëlektricum te voorkomen, en verifiëren we de isolatie en afwerking voordat de printplaat wordt verzonden. Voor LED- en verlichtingstoepassingen gebruiken we dezelfde constructie, afgestemd op lichtopbrengst en warmteafvoer, zoals beschreven in onze aluminium LED-printplaten.

Heeft u een printplaat van aluminium nodig – voor ledverlichting, voedingen, motorsturing of in de automobielindustrie? Stuur ons dan het ontwerp en uw vermogens- en spanningsspecificaties. Wij adviseren u dan over het juiste diëlektrische materiaal, bevestigen de ontwerpvoorschriften en bouwen een printplaat die de warmte daadwerkelijk afvoert.

Offerte voor uw aluminium printplaat

6. Veelgestelde vragen over aluminium printplaten

Wat is het verschil tussen een aluminium printplaat en een printplaat met metalen kern?

Een aluminium printplaat is het meest voorkomende type printplaat met metalen kern (MCPCB). MCPCB is de bredere categorie: de metalen basis kan van aluminium zijn (meest voorkomend en economisch), koper (betere thermische prestaties, maar duurder en zwaarder) of een staallegering. Dus elke aluminium printplaat is een MCPCB, maar niet elke MCPCB heeft een aluminium basis.

Waarom is de productie van een aluminium printplaat anders dan die van een FR-4 printplaat?

De stappen voor het maken van circuitafbeeldingen zijn vergelijkbaar, maar de mechanische stappen verschillen. Het boren en frezen van een metalen basis genereert warmte en bramen en vereist ander gereedschap en andere aanvoermethoden; het thermisch geleidende diëlektricum mag niet beschadigd raken of in de gaten worden gedrukt; en omdat de meeste aluminium printplaten enkelzijdig zijn, worden de gaten niet door de metalen basis heen geplateerd. Zelfs het hanteren van het paneel zonder het aluminium te beschadigen, maakt deel uit van het proces.

Waarom is de diëlektrische laag zo belangrijk in een aluminium printplaat?

Het diëlektricum moet het koper isoleren van het aluminium en tegelijkertijd warmte tussen beide geleiden. Deze doelen zijn echter tegenstrijdig. Een dunner diëlektricum geleidt warmte beter, maar is minder bestand tegen spanning. Daarom worden het type en de dikte ervan afgestemd op het vermogensverlies en de werkspanning van de printplaat – de belangrijkste ontwerpbeslissing bij een printplaat met een metalen kern.

Zijn aluminium printplaten enkel- of meerlaags?

De meeste aluminium printplaten zijn enkellaags, met één koperen circuitlaag over het diëlektrische materiaal en de aluminium basis. Meerlaagse aluminium constructies bestaan ​​voor complexere ontwerpen, maar zijn minder gebruikelijk en lastiger te produceren.

Waar worden aluminium printplaten gebruikt?

Overal waar warmte van een compacte printplaat moet worden afgevoerd: LED-verlichting en -modules, voedingen en converters, motorsturingen, auto-elektronica en vergelijkbare toepassingen met een hoge vermogensdichtheid waar FR-4 te heet zou worden.

Kunnen er gaten in een aluminium printplaat worden geplateerd?

Bij een standaard enkelzijdige aluminium printplaat worden de gaten niet door de metalen basis heen geplateerd, omdat het aluminium een ​​geleidende basis is en geen binnenlaag. Ontwerpen die geplateerde gaten vereisen, maken gebruik van andere constructies met een metalen kern of meerlaagse structuren.

Welke oppervlakteafwerkingen zijn beschikbaar voor aluminium printplaten?

De meest voorkomende afwerkingen zijn HASL, ENIG en OSP. Deze worden gekozen op basis van soldeerbaarheid, houdbaarheid, vlakheid en kosten, net als bij FR-4. ENIG is geschikt voor toepassingen met een fijne pitch en vlakke pads, terwijl HASL economisch is voor algemeen gebruik.