Zrozumienie podłoża aluminiowego PCB: rodzaje i zalety

Płytki PCB, czyli PCB, są niezbędnymi elementami niemal wszystkich urządzeń elektronicznych. Aby pogłębić Twoją wiedzę na temat PCB, ten przewodnik przedstawi rodzaje aluminiowych podłoży PCB oraz typowe przeszkody w kopiowaniu PCB. Jeśli interesują Cię płytki PCB lub treść tego artykułu, zachęcamy do dalszej lektury.

Czym wyróżniają się płytki PCB z podłożem aluminiowym?

Wcześniej omówiliśmy zalety i wady ceramicznych płytek PCB, zwracając uwagę na ich wysoką cenę i kruchość. Standardowe płytki PCB z włókna szklanego nie zapewniają dobrego odprowadzania ciepła, podczas gdy płytki ceramiczne są stabilne i odporne na odkształcenia w wysokich temperaturach i wilgotności, ale są drogie i stosowane głównie w produktach z najwyższej półki. Jeśli Twój produkt nie jest z najwyższej półki, na przykład duże, wydajne płytki LED , które wymagają dobrego odprowadzania ciepła, ale są ekonomiczne, czy istnieje materiał, który spełni Twoje oczekiwania?

Odpowiedź brzmi: tak, i właśnie tutaj pojawiają się płytki PCB z podłożem aluminiowym. Aluminium, jako metal przewodzący, może wydawać się dziwnym wyborem na materiał PCB , ale płytki PCB z podłożem aluminiowym składają się z trzech warstw: folii miedzianej, warstwy izolacyjnej i warstwy metalowo-aluminiowej. Skoro istnieje warstwa izolacyjna, czy można użyć innych materiałów poza aluminium jako warstwy metalowej? Materiałów takich jak miedź, stal nierdzewna, żelazo, stal krzemowa itp.? Przy wyborze podłoża metalowego należy wziąć pod uwagę takie czynniki, jak współczynnik rozszerzalności cieplnej, przewodność cieplna, wytrzymałość, twardość, waga, stan powierzchni i koszt.

Ogólnie rzecz biorąc, biorąc pod uwagę koszty i parametry techniczne, aluminium jest idealnym wyborem. Typowe wybory płyt aluminiowych obejmują 6061, 5052, 1060 itd. Jeśli istnieją wyższe wymagania dotyczące przewodności cieplnej, wydajności mechanicznej, wydajności elektrycznej i innych specjalnych właściwości, można również użyć miedzi, stali nierdzewnej, żelaza i stali krzemowej.

Powszechne w produktach oświetleniowych LED, aluminiowe płytki PCB mają dwie strony: jedną białą stronę do lutowania pinów LED, a drugą stronę w kolorze naturalnego aluminium, zwykle pokrytą pastą termiczną, aby stykała się z częścią przewodzącą ciepło. Są one głównie stosowane w oprawach LED, sprzęcie audio, sprzęcie zasilającym itp., a ich główną zaletą jest szybkie przewodzenie ciepła i doskonałe odprowadzanie ciepła.

W porównaniu do tradycyjnych płytek FR-4 , płytki PCB z podłożem aluminiowym minimalizują opór cieplny, zapewniając doskonałe przewodzenie ciepła; w porównaniu do podłoży ceramicznych posiadają doskonałe właściwości mechaniczne.

 Rodzaje podłoży aluminiowych PCB

1. Elastyczne podłoża aluminiowe : Jednym z najnowszych osiągnięć w dziedzinie materiałów IMS są elastyczne dielektryki. Materiały te oferują doskonałą izolację elektryczną, elastyczność i przewodność cieplną. Po zastosowaniu na materiałach takich jak 5754 lub podobnym elastycznym aluminium, można je formować w celu uzyskania różnych kształtów i kątów, eliminując potrzebę stosowania drogich elementów mocujących, kabli i złączy. Chociaż materiały te są elastyczne, zostały zaprojektowane tak, aby zginać się i pozostawać w miejscu.

2. Hybrydowe podłoża aluminiowe : W „hybrydowej” strukturze IMS substancje nietermiczne są niezależnie przetwarzane, a następnie łączone z podłożem aluminiowym za pomocą materiału termicznego. Najpopularniejsza struktura składa się z 2 lub 4 warstw podzespołów wykonanych z tradycyjnego FR-4, które są następnie łączone z aluminiową podstawą za pomocą dielektryka przewodzącego ciepło. Może to pomóc w odprowadzaniu ciepła, poprawić sztywność i działać jako ekranowanie. Inne korzyści obejmują:

• • Niższy koszt niż w przypadku konstrukcji wykorzystujących wyłącznie materiały termiczne.
  • Lepsze parametry termiczne niż w przypadku standardowych produktów FR-4.
  • Eliminacja kosztownych radiatorów i związanych z nimi etapów montażu.
  • Nadaje się do zastosowań RF wymagających warstw powierzchniowych PTFE w celu zapewnienia odpowiednich charakterystyk strat RF.
  • Zastosowanie okienek na komponenty wykonanych z aluminium umożliwia montaż elementów przewlekanych, co pozwala na przechodzenie złączy i kabli przez płytkę, a także na lutowanie zaokrąglonych rogów w celu uzyskania uszczelnienia, bez konieczności stosowania specjalnych podkładek lub innych drogich adapterów.

3. Wielowarstwowe podłoża aluminiowe : Na rynku wysokowydajnych zasilaczy, wielowarstwowe płytki PCB IMS są wykonane z wielu warstw dielektryka termicznego. Struktury te mają jedną lub więcej warstw obwodów wbudowanych w dielektryk, a ślepe przelotki pełnią funkcję przelotek termicznych lub ścieżek sygnałowych. Chociaż konstrukcje jednowarstwowe są droższe i mniej wydajne w odprowadzaniu ciepła, stanowią proste i skuteczne rozwiązanie w zakresie rozpraszania ciepła w bardziej złożonych projektach.

4. Podłoża aluminiowe z otworami przelotowymi : W najbardziej złożonych konstrukcjach warstwa aluminium może stanowić „rdzeń” wielowarstwowych struktur termicznych. Przed laminowaniem aluminium jest wstępnie platerowane i wypełniane dielektrykiem. Materiały termiczne lub podzespoły można laminować z obu stron aluminium za pomocą warstwy kleju termicznego. Po laminowaniu, gotowy element przypomina tradycyjne wielowarstwowe podłoże aluminiowe wywiercone w aluminium. Otwory przelotowe przechodzą przez szczeliny w aluminium, aby zapewnić izolację elektryczną. Alternatywnie, rdzenie miedziane umożliwiają bezpośrednie połączenia elektryczne, a także izolowane otwory przelotowe.

Zalety podłoży aluminiowych PCB

Oprócz doskonałych właściwości odprowadzania ciepła, podłoże PCB z aluminium charakteryzuje się następującymi zaletami:

• Zgodność z wymogami środowiskowymi RoHS.
• Bardziej odpowiedni do procesu SMT.
• Większa obciążalność prądowa.
• Efektywne zarządzanie dyfuzją ciepła w projektowaniu obwodów, obniżanie temperatury roboczej modułu, wydłużanie żywotności, zwiększanie gęstości mocy i poprawianie niezawodności.
• Zmniejszenie nakładów na montaż radiatorów i innego sprzętu (w tym materiałów termoprzewodzących), zmniejszenie rozmiarów produktu, ograniczenie kosztów sprzętu i montażu oraz optymalizacja połączenia obwodów zasilania i obwodów sterowania.
• Wymiana delikatnych podłoży ceramicznych na takie o większej trwałości mechanicznej.

W porównaniu ze zwykłymi płytkami FR-4, PCB z podłożem aluminiowym ma dużą zaletę, ponieważ może przenosić większy prąd. Podobnie jak FR-4, warstwy obwodów wykorzystują folię miedzianą jako przewodniki do połączeń. W porównaniu ze zwykłymi płytkami FR-4, o tej samej grubości i szerokości linii, PCB z podłożem aluminiowym może przenosić większy prąd.

Podstawowa technologia aluminiowego podłoża PCB leży w pośrednim materiale izolacyjnym, który głównie pełni funkcje łączenia, izolacji i przewodzenia ciepła. Warstwa izolacyjna aluminiowego podłoża PCB jest największą barierą termiczną w strukturze modułów mocy. Im lepsze przewodnictwo cieplne warstwy izolacyjnej, tym bardziej sprzyja ona dyfuzji ciepła wytwarzanego podczas pracy urządzenia, co z kolei sprzyja obniżeniu temperatury roboczej urządzenia, osiągnięciu wyższego obciążenia mocy modułu, zmniejszeniu rozmiaru, wydłużeniu żywotności i zwiększeniu mocy wyjściowej. Spełniając wymagania dobrej przewodności cieplnej, powinna również mieć zdolność izolacji wysokiego napięcia.

Różnice między podstawą aluminiową a płytą FR-4

Rozproszenie ciepła

Największa różnica między laminatem miedziowanym na bazie aluminium (CCL) a konwencjonalnym FR-4 CCL leży w ich właściwościach rozpraszania ciepła. Na przykład, w porównaniu do 1.5 mm grubości FR-4 CCL, opór cieplny CCL na bazie aluminium wynosi 20-22 ℃ dla pierwszego i 1.0-2.0 ℃ dla drugiego, co jest znacznie niższe.

Współczynnik rozszerzalności cieplnej

Zazwyczaj płyty FR-4 cierpią na problemy z rozszerzalnością cieplną, gdzie wysokie temperatury mogą powodować zmiany grubości i płaskości, szczególnie w kierunku grubości, wpływając na jakość metalizowanych otworów i obwodów. Wynika to głównie z różnych współczynników rozszerzalności cieplnej w kierunku grubości materiału: miedź ma współczynnik 17×10^-6 cm/cm℃, podczas gdy materiał bazowy płyty FR-4 ma 110×10^-6 cm/cm℃, co może łatwo prowadzić do efektów rozszerzalności cieplnej. Współczynnik rozszerzalności cieplnej płyt na bazie aluminium wynosi 50×10^-6 cm/cm℃, jest mniejszy niż w przypadku ogólnych płyt FR-4 i bliższy folii miedzianej. Pomaga to zapewnić jakość i niezawodność płytek drukowanych.

główne aplikacje

Płytki FR-4 nadają się do ogólnego projektowania obwodów i zwykłych produktów elektronicznych. Płytki na bazie aluminium nadają się do obwodów o specjalnych wymaganiach, takich jak grubowarstwowe hybrydowe układy scalone, rozpraszanie ciepła dla obwodów mocy, chłodzenie komponentów w obwodach, podłoża wielkoskalowe, których nie są w stanie obsłużyć podłoża ceramiczne, oraz obwody, w których zwykłe radiatory nie rozwiązują problemów z niezawodnością.

Skrawalność

Płyty na bazie aluminium mają wysoką wytrzymałość mechaniczną i wytrzymałość, która jest lepsza od płyt FR-4. Dlatego też płytki drukowane o dużej powierzchni mogą być produkowane na płytach na bazie aluminium, a ciężkie komponenty mogą być instalowane na takich podłożach.

Wydajność elektryczna

W porównaniu z płytami FR-4, płyty na bazie aluminium mają wyższą przewodność cieplną, co prowadzi do znacznego wzrostu nośności prądowej przewodników. Wskazuje to na wysoką przewodność cieplną płyt na bazie aluminium. Rozpraszanie ciepła płyt na bazie aluminium jest związane z grubością ich warstwy izolacyjnej i przewodnością cieplną. Cieńsze warstwy izolacyjne skutkują wyższą przewodnością cieplną płyt na bazie aluminium (ale niższą wytrzymałością napięciową). Aby zapewnić wydajność obwodów elektronicznych, niektóre komponenty w produktach elektronicznych muszą zapobiegać promieniowaniu elektromagnetycznemu i zakłóceniom. Płyty na bazie aluminium mogą działać jako płyty ekranujące, aby ekranować fale elektromagnetyczne.

Wydajność izolacji

W warunkach ogólnych napięcie przebicia płyt aluminiowych jest określone przez grubość warstwy izolacyjnej, przy czym napięcie przebicia wynosi zazwyczaj około 500 V. Jeśli musisz przetestować napięcie przebicia płyty aluminiowej z lampą fluorescencyjną LED, wystarczy wykonać test wysokiego napięcia na obudowie portu wejściowego. Wartości certyfikacji UL i CE powinny wynosić 2500 V, a certyfikacja 3C powinna wynosić około 3750 V.