Compreendendo a PCB de substrato de alumínio: tipos e vantagens

As placas de circuito impresso (PCBs) são componentes essenciais em praticamente todos os dispositivos eletrônicos. Para aprimorar seu conhecimento sobre PCBs, este guia apresentará os tipos de substratos de alumínio para PCBs e os obstáculos comuns na sua reprodução. Se você se interessa por PCBs ou pelo conteúdo deste artigo, continue a leitura.

O que faz com que os PCBs de substrato de alumínio se destaquem?

Anteriormente, discutimos os prós e os contras das placas de circuito impresso de cerâmica, observando que uma desvantagem é o seu alto custo e fragilidade. As placas de circuito impresso de fibra de vidro padrão não possuem boa dissipação de calor, enquanto as placas de circuito impresso de cerâmica são estáveis ​​e resistentes à deformação em ambientes de alta temperatura e alta umidade, mas são caras e usadas principalmente em produtos de ponta. Se o seu produto não for de ponta, como placas de LED de grande área e alta potência que exigem boa dissipação de calor, mas são econômicas, existe algum material que atenda às suas necessidades?

A resposta é sim, e é aí que entram as placas de circuito impresso com substrato de alumínio. O alumínio, sendo um metal condutor, pode parecer uma escolha estranha para material de PCB , mas as placas de circuito impresso com substrato de alumínio consistem em três camadas: folha de cobre, uma camada isolante e uma camada de alumínio metálico. Já que existe uma camada isolante, outros materiais além do alumínio podem ser usados ​​para a camada metálica? Materiais como cobre, aço inoxidável, ferro, aço silício, etc.? Ao selecionar o substrato metálico, fatores como coeficiente de expansão térmica, condutividade térmica, resistência, dureza, peso, condição da superfície e custo precisam ser considerados.

Em geral, considerando custo e desempenho técnico, o alumínio é a escolha ideal. As escolhas comuns para placas de alumínio incluem 6061, 5052, 1060, etc. Se houver requisitos mais elevados de condutividade térmica, desempenho mecânico, desempenho elétrico e outras propriedades especiais, cobre, aço inoxidável, ferro e aço silício também podem ser usados.

Comuns em produtos de iluminação LED, os PCBs de substrato de alumínio têm dois lados: um lado branco para soldar pinos de LED e o outro lado é de cor natural de alumínio, normalmente revestido com pasta térmica para entrar em contato com a parte condutora de calor. Eles são usados ​​​​principalmente em luminárias LED, equipamentos de áudio, equipamentos de energia, etc., tendo como principal vantagem a rápida condução de calor e excelente desempenho de dissipação de calor.

Em comparação com o FR-4 tradicional , as placas de circuito impresso com substrato de alumínio podem minimizar a resistência térmica, proporcionando excelente condução de calor; em comparação com os substratos cerâmicos, elas possuem excelentes propriedades mecânicas.

 Tipos de substratos de alumínio para PCB

1. Substratos Flexíveis de Alumínio : Um dos desenvolvimentos mais recentes em materiais IMS são os dielétricos flexíveis. Esses materiais oferecem excelente isolamento elétrico, flexibilidade e condutividade térmica. Quando aplicados a materiais como o alumínio flexível 5754 ou similar, podem ser moldados para obter diversas formas e ângulos, eliminando a necessidade de acessórios, cabos e conectores dispendiosos. Embora sejam flexíveis, esses materiais são projetados para se dobrarem e permanecerem na posição desejada.

2. Substratos Híbridos de Alumínio : Em uma estrutura IMS “híbrida”, substâncias não térmicas são processadas independentemente e, em seguida, unidas ao substrato de alumínio com um material térmico. A estrutura mais comum consiste em 2 ou 4 camadas de subcomponentes feitos de FR-4 tradicional, que são então unidas à base de alumínio com um dielétrico termicamente condutor. Isso pode auxiliar na dissipação de calor, melhorar a rigidez e atuar como blindagem. Outros benefícios incluem:

• • Custo mais baixo do que construir todos os materiais térmicos.
  • Melhor desempenho térmico que os produtos FR-4 padrão.
  • Eliminação de dissipadores de calor caros e etapas de montagem relacionadas.
  • Adequado para aplicações de RF que exigem camadas superficiais de PTFE para características de perda de RF.
  • Uso de janelas de componentes em alumínio para acomodar componentes passantes, permitindo que conectores e cabos passem pela placa enquanto soldam cantos arredondados para criar uma vedação, sem a necessidade de arruelas especiais ou outros adaptadores caros.

3. Substratos de alumínio multicamadas : No mercado de fontes de alimentação de alto desempenho, as placas de circuito impresso (PCBs) IMS multicamadas são fabricadas com múltiplas camadas de dielétrico térmico. Essas estruturas possuem uma ou mais camadas de circuitos embutidas no dielétrico, com vias cegas utilizadas como vias térmicas ou caminhos de sinal. Embora os projetos de camada única sejam mais caros e menos eficientes na transferência de calor, eles oferecem uma solução de dissipação de calor simples e eficaz para projetos mais complexos.

4. Substratos de alumínio com furos passantes : Nas estruturas mais complexas, uma camada de alumínio pode formar o "núcleo" de estruturas térmicas multicamadas. Antes da laminação, o alumínio é pré-revestido e preenchido com dielétrico. Materiais térmicos ou subcomponentes podem ser laminados em ambos os lados do alumínio usando uma camada de adesivo térmico. Uma vez laminado, o componente finalizado é semelhante a um substrato de alumínio multicamadas tradicional com furos passantes. Furos passantes metalizados atravessam as aberturas no alumínio para manter o isolamento elétrico. Alternativamente, núcleos de cobre podem permitir conexões elétricas diretas, bem como furos passantes isolados.

Vantagens dos substratos de alumínio PCB

Além de seu excelente desempenho de dissipação de calor, o PCB de substrato de alumínio tem as seguintes vantagens:

• Conformidade com os requisitos ambientais RoHS.
• Mais adequado para processo SMT.
• Maior capacidade de transporte de corrente.
• Manipulação eficaz da difusão de calor no projeto do circuito, reduzindo a temperatura operacional do módulo, prolongando a vida útil, aumentando a densidade de potência e melhorando a confiabilidade.
• Redução na montagem de dissipadores de calor e outros hardwares (incluindo materiais de interface térmica), redução do tamanho do produto, redução de custos de hardware e montagem e otimização da combinação de circuitos de potência e circuitos de controle.
• Substituição de substratos cerâmicos frágeis para melhor durabilidade mecânica.

Comparado com placas FR-4 comuns, o PCB de substrato de alumínio tem uma grande vantagem, pois pode transportar corrente mais alta. Assim como o FR-4, as camadas do circuito usam folha de cobre como condutores para conexão. Comparado com o FR-4 tradicional, com a mesma espessura e largura de linha, o PCB de substrato de alumínio pode transportar corrente mais alta.

A tecnologia central do PCB de substrato de alumínio reside no material da camada intermediária de isolamento, que serve principalmente às funções de ligação, isolamento e condução térmica. A camada de isolamento do substrato de alumínio PCB é a maior barreira térmica na estrutura dos módulos de potência. Quanto melhor for a condutividade térmica da camada de isolamento, mais propícia ela será à difusão do calor gerado durante a operação do dispositivo, o que por sua vez contribui para reduzir a temperatura de operação do dispositivo, alcançando maior carga de energia do módulo, reduzindo o tamanho, prolongando a vida útil e aumentando a produção de energia. Embora atenda ao requisito de boa condutividade térmica, também deve ter capacidade de isolamento de alta tensão.

Diferenças entre Base de Alumínio e Placa FR-4

Dissipação de calor

A maior diferença entre o laminado revestido de cobre (CCL) à base de alumínio e o CCL FR-4 convencional está em suas propriedades de dissipação de calor. Por exemplo, em comparação com um CCL FR-1.5 de 4 mm de espessura, a resistência térmica de um CCL à base de alumínio é de 20-22 ℃ para o primeiro e 1.0-2.0 ℃ para o último, o que é significativamente menor.

Coeficiente de expansão térmica

Normalmente, as placas FR-4 sofrem de problemas de expansão térmica, onde altas temperaturas podem causar alterações na espessura e planicidade, especialmente na direção da espessura, afetando a qualidade dos furos e circuitos revestidos de metal. Isto se deve principalmente aos diferentes coeficientes de expansão térmica na direção da espessura do material: o cobre tem um coeficiente de 17×10^-6 cm/cm℃, enquanto o material base da placa FR-4 é 110×10^-6 cm/cm. ℃, o que pode facilmente levar a efeitos de expansão térmica. O coeficiente de expansão térmica das placas à base de alumínio é 50×10^-6 cm/cm℃, menor que o das placas FR-4 gerais e mais próximo do da folha de cobre. Isso ajuda a garantir a qualidade e a confiabilidade das placas de circuito impresso.

principais Aplicações

As placas FR-4 são adequadas para projetos de circuitos gerais e produtos eletrônicos comuns. As placas à base de alumínio são adequadas para circuitos com requisitos especiais, como circuitos integrados híbridos de película espessa, dissipação de calor para circuitos de potência, resfriamento de componentes em circuitos, substratos de grande escala que os substratos cerâmicos não conseguem suportar e circuitos onde os dissipadores de calor comuns não conseguem resolver. questões de confiabilidade.

Usinabilidade

As placas à base de alumínio possuem alta resistência mecânica e tenacidade, superior às placas FR-4. Portanto, placas impressas de grandes áreas podem ser fabricadas em placas à base de alumínio e componentes pesados ​​podem ser instalados em tais substratos.

Desempenho Elétrico

Em comparação com as placas FR-4, as placas à base de alumínio apresentam maior condutividade térmica, levando a um aumento significativo na capacidade de condução de corrente dos condutores. Isto indica a alta condutividade térmica das placas à base de alumínio. A dissipação de calor das placas à base de alumínio está relacionada à espessura da camada de isolamento e à condutividade térmica. Camadas de isolamento mais finas resultam em maior condutividade térmica de placas à base de alumínio (mas menor desempenho de tensão suportável). Para garantir o desempenho dos circuitos eletrônicos, alguns componentes dos produtos eletrônicos precisam evitar radiação e interferência eletromagnética. Placas à base de alumínio podem atuar como placas de proteção para proteger ondas eletromagnéticas.

Desempenho de isolamento

Em condições gerais, a tensão de ruptura das placas à base de alumínio é determinada pela espessura da camada de isolamento, com uma tensão de ruptura geralmente em torno de 500V. Se você precisar testar a tensão de ruptura de uma placa de alumínio para lâmpada fluorescente LED, basta realizar um teste de alta tensão na caixa da porta de entrada. Os valores de certificação UL e CE devem ser 2500V, e a certificação 3C deve ser em torno de 3750V.