Aluminiumsubstraat-PCB's begrijpen: soorten en voordelen

Printplaten (PCB's) zijn essentiële componenten in vrijwel alle elektronische apparaten. Om uw kennis van printplaten te vergroten, introduceert deze handleiding de verschillende soorten aluminium substraten voor printplaten en de veelvoorkomende problemen bij het kopiëren van printplaten. Als u geïnteresseerd bent in printplaten of de inhoud van dit artikel, lees dan gerust verder.

Wat maakt aluminium substraat-PCB's zo bijzonder?

Eerder bespraken we de voor- en nadelen van keramische printplaten, waarbij we opmerkten dat een nadeel de hoge kosten en kwetsbaarheid zijn. Standaard glasvezelprintplaten hebben een slechte warmteafvoer, terwijl keramische printplaten stabiel zijn en bestand tegen vervorming in omgevingen met hoge temperaturen en een hoge luchtvochtigheid. Ze zijn echter duur en worden voornamelijk gebruikt in hoogwaardige producten. Maar als uw product geen hoogwaardig product is, zoals grote, krachtige LED-lichtprintplaten die een goede warmteafvoer vereisen maar wel kosteneffectief zijn, is er dan een materiaal dat aan de eisen voldoet?

Het antwoord is ja, en dat is waar printplaten met een aluminium substraat in beeld komen. Aluminium, een geleidend metaal, lijkt misschien een vreemde keuze voor printplaatmateriaal , maar printplaten met een aluminium substraat bestaan ​​uit drie lagen: koperfolie, een isolatielaag en een aluminium metaallaag. Aangezien er een isolatielaag is, kunnen er dan naast aluminium ook andere materialen voor de metaallaag worden gebruikt? Materialen zoals koper, roestvrij staal, ijzer, siliciumstaal, enz.? Bij de keuze van het metalen substraat moet rekening worden gehouden met factoren zoals de thermische uitzettingscoëfficiënt, thermische geleidbaarheid, sterkte, hardheid, gewicht, oppervlakteconditie en kosten.

Over het algemeen is aluminium, gezien de kosten en de technische prestaties, een ideale keuze. Veel voorkomende keuzes voor aluminium platen zijn onder meer 6061, 5052, 1060, enz. Als er hogere eisen zijn aan thermische geleidbaarheid, mechanische prestaties, elektrische prestaties en andere speciale eigenschappen, kunnen ook koper, roestvrij staal, ijzer en siliciumstaal worden gebruikt.

Aluminium substraat-PCB's, gebruikelijk bij LED-verlichtingsproducten, hebben twee zijden: een witte kant voor het solderen van LED-pinnen, en de andere kant is van nature aluminiumkleurig, meestal bedekt met thermische pasta om contact te maken met het warmtegeleidende deel. Ze worden voornamelijk gebruikt in LED-armaturen, audioapparatuur, elektrische apparatuur, enz., met als belangrijkste voordeel een snelle warmtegeleiding en uitstekende warmteafvoerprestaties.

In vergelijking met traditionele FR-4 -printplaten kunnen printplaten met een aluminium substraat de thermische weerstand minimaliseren en zorgen voor een uitstekende warmtegeleiding; in vergelijking met keramische substraten hebben ze uitstekende mechanische eigenschappen.

 Soorten PCB-aluminiumsubstraten

1. Flexibele aluminium substraten : Een van de nieuwste ontwikkelingen in IMS-materialen zijn flexibele diëlektrische materialen. Deze materialen bieden uitstekende elektrische isolatie, flexibiliteit en thermische geleidbaarheid. Wanneer ze worden toegepast op materialen zoals 5754 of vergelijkbaar flexibel aluminium, kunnen ze in verschillende vormen en hoeken worden gebogen, waardoor dure armaturen, kabels en connectoren overbodig worden. Hoewel deze materialen flexibel zijn, zijn ze ontworpen om in de gewenste positie te buigen en te blijven zitten.

2. Hybride aluminiumsubstraten : In een "hybride" IMS-structuur worden niet-thermische materialen afzonderlijk verwerkt en vervolgens met een thermisch materiaal aan het aluminiumsubstraat gehecht. De meest voorkomende structuur bestaat uit 2 of 4 lagen subcomponenten gemaakt van traditioneel FR-4, die vervolgens met een thermisch geleidend diëlektricum aan de aluminium basis worden gehecht. Dit kan helpen bij warmteafvoer, de stijfheid verbeteren en als afscherming dienen. Andere voordelen zijn:

• • Lagere kosten dan het bouwen van alle thermische materialen.
  • Betere thermische prestaties dan standaard FR-4-producten.
  • Eliminatie van dure koellichamen en bijbehorende montagestappen.
  • Geschikt voor RF-toepassingen die PTFE-oppervlaktelagen vereisen voor RF-verlieskarakteristieken.
  • Gebruik van componentvensters in aluminium om componenten met doorlopende gaten te huisvesten, waardoor connectoren en kabels door het bord kunnen gaan terwijl ronde hoeken worden gesoldeerd om een ​​afdichting te creëren, zonder de noodzaak van speciale ringen of andere dure adapters.

3. Meerlaagse aluminium substraten : In de markt voor hoogwaardige voedingen worden meerlaagse IMS-printplaten gemaakt van meerdere lagen thermisch diëlektrisch materiaal. Deze structuren hebben een of meer lagen circuits ingebed in het diëlektrische materiaal, waarbij blinde via's worden gebruikt als thermische via's of signaalpaden. Hoewel ontwerpen met één laag duurder zijn en minder efficiënt warmte afvoeren, bieden ze een eenvoudige en effectieve oplossing voor warmteafvoer bij complexere ontwerpen.

4. Doorvoergaten in aluminium substraten : In de meest complexe structuren kan een laag aluminium de "kern" vormen van meerlaagse thermische structuren. Vóór het lamineren wordt het aluminium voorgeplateerd en gevuld met diëlektrisch materiaal. Thermische materialen of subcomponenten kunnen aan beide zijden van het aluminium worden gelamineerd met behulp van een thermische lijmlaag. Na het lamineren is het voltooide component vergelijkbaar met een traditioneel meerlaags aluminium substraat waar gaten in het aluminium zijn geboord. Geplateerde doorvoergaten lopen door de openingen in het aluminium om de elektrische isolatie te behouden. Als alternatief kunnen koperen kernen directe elektrische verbindingen en geïsoleerde doorvoergaten mogelijk maken.

Voordelen van PCB-aluminiumsubstraten

Naast de uitstekende warmteafvoerprestaties heeft aluminium substraat-PCB de volgende voordelen:

• Naleving van de RoHS-milieuvereisten.
• Meer geschikt voor SMT-proces.
• Hogere stroombelastbaarheid.
• Effectieve omgang met warmteverspreiding in het circuitontwerp, waardoor de bedrijfstemperatuur van de module wordt verlaagd, de levensduur wordt verlengd, de vermogensdichtheid wordt verhoogd en de betrouwbaarheid wordt verbeterd.
• Vermindering van de assemblage van koellichamen en andere hardware (inclusief thermische interfacematerialen), kleinere productgrootte, verlaging van hardware- en assemblagekosten en optimalisering van de combinatie van stroomcircuits en besturingscircuits.
• Vervanging van kwetsbare keramische substraten voor betere mechanische duurzaamheid.

Vergeleken met gewone FR-4-platen heeft een aluminium substraatprintplaat een groot voordeel omdat deze een hogere stroom kan voeren. Net als FR-4 gebruiken de circuitlagen koperfolie als geleiders voor verbinding. Vergeleken met traditionele FR-4, met dezelfde dikte en lijnbreedte, kan aluminium substraat-PCB een hogere stroom voeren.

De kerntechnologie van aluminium substraat-PCB's ligt in het tussenliggende isolatielaagmateriaal, dat voornamelijk de functies dient van hechting, isolatie en thermische geleiding. De isolatielaag van aluminium substraat-PCB's is de grootste thermische barrière in de structuur van vermogensmodules. Hoe beter de thermische geleidbaarheid van de isolatielaag, hoe bevorderlijker deze is voor de diffusie van warmte die wordt gegenereerd tijdens de werking van het apparaat, wat op zijn beurt bevorderlijk is voor het verlagen van de bedrijfstemperatuur van het apparaat, het bereiken van een hogere vermogensbelasting van de module, het verkleinen van de grootte, verlengt de levensduur en verhoogt het vermogen. Hoewel het voldoet aan de eis van een goede thermische geleidbaarheid, moet het ook een hoogspanningsisolatievermogen hebben.

Verschillen tussen aluminium basis en FR-4 bord

Warmteafscheiding

Het grootste verschil tussen op aluminium gebaseerd, met koper bekleed laminaat (CCL) en conventionele FR-4 CCL ligt in hun warmteafvoerende eigenschappen. Vergeleken met een 1.5 mm dikke FR-4 CCL is de thermische weerstand van een op aluminium gebaseerde CCL bijvoorbeeld 20-22 ℃ voor de eerste en 1.0-2.0 ℃ voor de laatste, wat aanzienlijk lager is.

Uitzettingscoëfficiënt

FR-4-platen hebben doorgaans last van problemen met thermische uitzetting, waarbij hoge temperaturen veranderingen in dikte en vlakheid kunnen veroorzaken, vooral in de dikterichting, waardoor de kwaliteit van met metaal beklede gaten en circuits wordt aangetast. Dit komt voornamelijk door de verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten in de richting van de materiaaldikte: koper heeft een coëfficiënt van 17×10^-6 cm/cm℃, terwijl FR-4 plaatmateriaal 110×10^-6 cm/cm is. ℃, wat gemakkelijk kan leiden tot thermische uitzettingseffecten. De thermische uitzettingscoëfficiënt van platen op aluminiumbasis is 50×10^-6 cm/cm℃, kleiner dan die van algemene FR-4-platen en dichter bij die van koperfolie. Dit helpt de kwaliteit en betrouwbaarheid van printplaten te garanderen.

Main Applications

FR-4-kaarten zijn geschikt voor algemeen circuitontwerp en gewone elektronische producten. Op aluminium gebaseerde platen zijn geschikt voor circuits met speciale vereisten, zoals hybride geïntegreerde schakelingen met dikke film, warmteafvoer voor stroomcircuits, koeling van componenten in circuits, grootschalige substraten die keramische substraten niet aankunnen, en circuits waar gewone koellichamen niet mee kunnen omgaan betrouwbaarheidsproblemen.

bewerkbaarheid

Platen op aluminiumbasis hebben een hoge mechanische sterkte en taaiheid, die superieur is aan FR-4-platen. Daarom kunnen printplaten met een groot oppervlak worden vervaardigd op platen op aluminiumbasis, en kunnen zware componenten op dergelijke substraten worden geïnstalleerd.

Elektrische prestaties

Vergeleken met FR-4-platen hebben platen op aluminiumbasis een hogere thermische geleidbaarheid, wat leidt tot een aanzienlijke toename van het stroomvoerende vermogen van geleiders. Dit duidt op de hoge thermische geleidbaarheid van platen op aluminiumbasis. De warmteafvoer van platen op aluminiumbasis houdt verband met de dikte van hun isolatielaag en de thermische geleidbaarheid. Dunnere isolatielagen resulteren in een hogere thermische geleidbaarheid van platen op aluminiumbasis (maar lagere weerstand tegen spanningsprestaties). Om de prestaties van elektronische circuits te garanderen, moeten sommige componenten in elektronische producten elektromagnetische straling en interferentie voorkomen. Op aluminium gebaseerde platen kunnen fungeren als afschermplaten om elektromagnetische golven af ​​te schermen.

Isolatieprestaties

Onder algemene omstandigheden wordt de doorslagspanning van platen op aluminiumbasis bepaald door de dikte van de isolatielaag, waarbij de doorslagspanning doorgaans rond de 500 V ligt. Als u de doorslagspanning van een op aluminium gebaseerde LED-fluorescentielamp moet testen, hoeft u alleen maar een hoogspanningstest uit te voeren op de behuizing van de ingangspoort. De UL- en CE-certificeringswaarden moeten 2500V zijn, en de 3C-certificering moet rond de 3750V liggen.