Înțelegerea substratului de aluminiu PCB: tipuri și avantaje

PCB-urile, sau plăcile cu circuite imprimate, sunt componente esențiale în aproape toate dispozitivele electronice. Pentru a vă îmbunătăți înțelegerea PCB-urilor, acest ghid va prezenta tipurile de substraturi de aluminiu pentru PCB-uri și obstacolele comune în copierea PCB-urilor. Dacă sunteți interesat de PCB-uri sau de conținutul acestui articol, nu ezitați să continuați să citiți.

Ce face ca PCB-urile cu substrat de aluminiu să iasă în evidență?

Anterior, am discutat avantajele și dezavantajele PCB-urilor ceramice, menționând că un dezavantaj este costul ridicat și fragilitatea lor. PCB-urile standard din fibră de sticlă nu disipă bine căldura, în timp ce PCB-urile ceramice sunt stabile și rezistente la deformare în medii cu temperaturi ridicate și umiditate ridicată, dar sunt scumpe și sunt utilizate în principal în produse de înaltă calitate. Dacă produsul dvs. nu este de înaltă calitate, cum ar fi un dispozitiv de suprafață mare, de mare putere... Plăci luminoase LED care necesită o bună disipare a căldurii, dar sunt eficiente din punct de vedere al costurilor, există un material care să corespundă acestei cerințe?

Răspunsul este da, și aici intervin PCB-urile cu substrat de aluminiu. Aluminiul, fiind un metal cu conductivitate, ar putea părea o alegere ciudată pentru Material PCB, dar PCB-urile cu substrat de aluminiu sunt alcătuite din trei straturi: folie de cupru, un strat izolator și un strat metalic de aluminiu. Deoarece există un strat izolator, se pot folosi și alte materiale în afară de aluminiu pentru stratul metalic? Materiale precum cupru, oțel inoxidabil, fier, oțel siliconic etc.? La selectarea substratului metalic, trebuie luați în considerare factori precum coeficientul de dilatare termică, conductivitatea termică, rezistența, duritatea, greutatea, starea suprafeței și costul.

În general, având în vedere costul și performanța tehnică, aluminiul este o alegere ideală. Opțiunile comune pentru plăcile de aluminiu includ 6061, 5052, 1060 etc. Dacă există cerințe mai mari privind conductivitatea termică, performanța mecanică, performanța electrică și alte proprietăți speciale, se poate utiliza și cupru, oțel inoxidabil, fier și oțel siliconic.

Comune în produsele de iluminat cu LED, PCB-urile cu substrat de aluminiu au două fețe: o față albă pentru lipirea pinilor LED, iar cealaltă față este de culoarea aluminiului natural, de obicei acoperită cu pastă termică pentru a intra în contact cu partea termoconductoare. Acestea sunt utilizate în principal în corpurile de iluminat cu LED, echipamentele audio, echipamentele de alimentare etc., principalul avantaj fiind conductivitatea rapidă a căldurii și performanța excelentă de disipare a căldurii.

În comparație cu tradițional FR-4PCB-urile cu substrat de aluminiu pot reduce la minimum rezistența termică, oferind o conductivitate termică excelentă; în comparație cu substraturile ceramice, acestea au proprietăți mecanice excelente.

 Tipuri de substraturi de aluminiu pentru PCB

1. Substraturi flexibile din aluminiuUna dintre cele mai recente dezvoltări în domeniul materialelor IMS sunt dielectricii flexibili. Aceste materiale oferă o izolație electrică excelentă, flexibilitate și conductivitate termică. Atunci când sunt aplicate pe materiale precum 5754 sau aluminiu flexibil similar, acestea pot fi modelate pentru a obține diverse forme și unghiuri, eliminând necesitatea unor dispozitive de fixare, cabluri și conectori scumpi. Deși aceste materiale sunt flexibile, ele sunt concepute pentru a se îndoi în poziție și a rămâne în poziție.

2. Substraturi hibride de aluminiuÎntr-o structură IMS „hibridă”, substanțele netermice sunt procesate independent și apoi lipite de substratul de aluminiu cu un material termic. Cea mai comună structură constă din 2 sau 4 straturi de subcomponente fabricate din FR-4 tradițional, care sunt apoi lipite de baza de aluminiu cu un dielectric conductiv termic. Acest lucru poate ajuta la disiparea căldurii, poate îmbunătăți rigiditatea și poate acționa ca ecranare. Alte beneficii includ:

• • Cost mai mic decât construirea tuturor materialelor termice.
  • Performanță termică mai bună decât produsele FR-4 standard.
  • Eliminarea radiatoarelor costisitoare și a etapelor de asamblare aferente.
  • Potrivit pentru aplicații RF care necesită straturi de suprafață din PTFE pentru caracteristicile de pierdere RF.
  • Utilizarea ferestrelor pentru componente din aluminiu pentru a găzdui componentele cu orificii traversante, permițând conectorilor și cablurilor să treacă prin placă în timp ce se lipesc colțurile rotunjite pentru a crea o etanșare, fără a fi nevoie de șaibe speciale sau alte adaptoare scumpe.

3. Substraturi de aluminiu multistratPe piața surselor de alimentare de înaltă performanță, PCB-urile IMS multistrat sunt fabricate din mai multe straturi de dielectric termic. Aceste structuri au unul sau mai multe straturi de circuite încorporate în dielectric, cu fire de acces oarbe utilizate ca fire de acces termice sau căi de semnal. Deși modelele cu un singur strat sunt mai scumpe și mai puțin eficiente în transferul de căldură, ele oferă o soluție simplă și eficientă de disipare a căldurii pentru modele mai complexe.

4. Substraturi de aluminiu cu orificii traversanteÎn cele mai complexe structuri, un strat de aluminiu poate forma „nucleul” structurilor termice multistrat. Înainte de laminare, aluminiul este pre-placat și umplut cu dielectric. Materialele sau subcomponentele termice pot fi laminate pe ambele părți ale aluminiului folosind un strat de adeziv termic. Odată laminată, componenta finalizată este similară cu un substrat tradițional de aluminiu multistrat, perforat prin aluminiu. Găurile traversante placate trec prin golurile din aluminiu pentru a menține izolația electrică. Alternativ, miezurile de cupru pot permite conexiuni electrice directe, precum și găuri traversante izolate.

Avantajele substraturilor de aluminiu pentru PCB

Pe lângă performanța excelentă de disipare a căldurii, PCB-ul cu substrat de aluminiu are următoarele avantaje:

• Respectarea cerințelor de mediu RoHS.
• Mai potrivit pentru procesul SMT.
• Capacitate mai mare de transport al curentului.
• Gestionarea eficientă a difuziei căldurii în proiectarea circuitelor, reducerea temperaturii de funcționare a modulelor, extinderea duratei de viață, creșterea densității de putere și îmbunătățirea fiabilității.
• Reducerea asamblării radiatoarelor și a altor componente hardware (inclusiv materiale de interfață termică), micșorarea dimensiunii produsului, reducerea costurilor hardware și de asamblare și optimizarea combinării circuitelor de alimentare și a circuitelor de control.
• Înlocuirea substraturilor ceramice fragile pentru o durabilitate mecanică mai bună.

Comparativ cu plăcile FR-4 obișnuite, PCB-ul cu substrat de aluminiu are un avantaj major prin faptul că poate transporta un curent mai mare. La fel ca FR-4, straturile circuitului folosesc folie de cupru ca și conductori pentru conectare. Comparativ cu FR-4 tradițional, cu aceeași grosime și lățime a liniei, PCB-ul cu substrat de aluminiu poate transporta un curent mai mare.

Tehnologia de bază a PCB-urilor cu substrat de aluminiu constă în materialul stratului de izolație intermediar, care servește în principal funcțiilor de lipire, izolare și conducere termică. Stratul de izolație al PCB-urilor cu substrat de aluminiu este cea mai mare barieră termică din structura modulelor de putere. Cu cât conductivitatea termică a stratului de izolație este mai bună, cu atât este mai favorabil difuziei căldurii generate în timpul funcționării dispozitivului, ceea ce, la rândul său, conduce la reducerea temperaturii de funcționare a dispozitivului, la obținerea unei sarcini de putere mai mari a modulului, la reducerea dimensiunilor, la prelungirea duratei de viață și la creșterea puterii de ieșire. Îndeplinind cerința de conductivitate termică bună, acesta ar trebui să aibă și capacitate de izolație de înaltă tensiune.

Diferențe între baza de aluminiu și placa FR-4

Dezintegrarea căldurii

Cea mai mare diferență dintre laminatul placat cu cupru (CCL) pe bază de aluminiu și CCL-ul FR-4 convențional constă în proprietățile lor de disipare a căldurii. De exemplu, comparativ cu un CCL FR-1.5 cu grosimea de 4 mm, rezistența termică a unui CCL pe bază de aluminiu este de 20-22 ℃ pentru primul și de 1.0-2.0 ℃ pentru cel de-al doilea, ceea ce este semnificativ mai mic.

Coeficient de expansiune termică

De obicei, plăcile FR-4 suferă de probleme de dilatare termică, temperaturile ridicate putând provoca modificări ale grosimii și planeității, în special în direcția grosimii, afectând calitatea găurilor și circuitelor placate cu metal. Acest lucru se datorează în principal coeficienților diferiți de dilatare termică în direcția grosimii materialului: cuprul are un coeficient de 17×10^-6 cm/cm℃, în timp ce materialul de bază al plăcii FR-4 este de 110×10^-6 cm/cm℃, ceea ce poate duce cu ușurință la efecte de dilatare termică. Coeficientul de dilatare termică al plăcilor pe bază de aluminiu este de 50×10^-6 cm/cm℃, mai mic decât cel al plăcilor FR-4 generale și mai apropiat de cel al foliei de cupru. Acest lucru ajută la asigurarea calității și fiabilității plăcilor cu circuite imprimate.

Principalele aplicații

Plăcile FR-4 sunt potrivite pentru proiectarea generală a circuitelor și pentru produsele electronice obișnuite. Plăcile pe bază de aluminiu sunt potrivite pentru circuite cu cerințe speciale, cum ar fi circuitele integrate hibride cu peliculă groasă, disiparea căldurii pentru circuitele de alimentare, răcirea componentelor în circuite, substraturi de mari dimensiuni pe care substraturile ceramice nu le pot gestiona și circuite în care radiatoarele obișnuite nu pot rezolva problemele de fiabilitate.

Prelucrabilitate

Plăcile pe bază de aluminiu au o rezistență mecanică și o tenacitate ridicate, superioare plăcilor FR-4. Prin urmare, plăcile imprimate pe suprafețe mari pot fi fabricate pe plăci pe bază de aluminiu, iar componentele grele pot fi instalate pe astfel de substraturi.

Performanța electrică

Comparativ cu plăcile FR-4, plăcile pe bază de aluminiu au o conductivitate termică mai mare, ceea ce duce la o creștere semnificativă a capacității de transport a curentului a conductorilor. Aceasta indică conductivitatea termică ridicată a plăcilor pe bază de aluminiu. Disiparea căldurii de către plăcile pe bază de aluminiu este legată de grosimea stratului de izolație și de conductivitatea termică. Straturile de izolație mai subțiri duc la o conductivitate termică mai mare a plăcilor pe bază de aluminiu (dar la performanțe de tensiune de rezistență mai mici). Pentru a asigura performanța circuitelor electronice, unele componente din produsele electronice trebuie să prevină radiațiile electromagnetice și interferențele. Plăcile pe bază de aluminiu pot acționa ca plăci de ecranare pentru a proteja undele electromagnetice.

Performanța izolației

În condiții generale, tensiunea de străpungere a plăcilor pe bază de aluminiu este determinată de grosimea stratului de izolație, tensiunea de străpungere fiind în general în jur de 500 V. Dacă trebuie să testați tensiunea de străpungere a unei plăci pe bază de aluminiu pentru o lămpi fluorescente LED, trebuie doar să efectuați un test de înaltă tensiune pe carcasa portului de intrare. Valorile certificărilor UL și CE ar trebui să fie de 2500 V, iar certificarea 3C ar trebui să fie în jur de 3750 V.