8 шагов к изготовлению идеальной алюминиевой печатной платы

An алюминиевая печатная плата Алюминиевая печатная плата существует по одной причине: для отвода тепла от цепи. Заменив изолирующий сердечник из FR-4 металлическим основанием, алюминиевая печатная плата отводит тепло от силовых компонентов и распределяет его по всей плате, поэтому она используется в светодиодах, блоках питания и автомобильной промышленности. Но термин «алюминиевая печатная плата» описывает многослойную структуру, качество которой зависит от самого слабого слоя, а производственный процесс включает этапы, которые отсутствуют на стандартной линии FR-4. В этом руководстве описаны восемь этапов производства алюминиевой печатной платы, а затем объясняется, какой диэлектрический слой определяет работоспособность платы, а также правила проектирования и дефекты, которые отличают идеальную алюминиевую печатную плату от платы, вышедшей из строя в полевых условиях.

1. Что такое алюминиевая печатная плата?

Алюминиевая печатная плата — это печатная плата с металлическим сердечником, состоящая из трех склеенных слоев: верхнего слоя. слой медной цепи, чтобы теплопроводящий диэлектрик посередине, и алюминиевой пластиной снизу. В меди протекает ток, диэлектрик обеспечивает электрическую изоляцию, одновременно проводя тепло, а алюминий выступает в качестве встроенного теплоотвода и радиатора.

Почему дизайнеры выбирают алюминий вместо FR-4

Стандартный материал FR-4 является теплоизолятором, поэтому тепло от силового устройства накапливается и сокращает срок службы компонентов. Замена на алюминиевое основание — сердцевину устройства — может существенно повлиять на его эффективность. печатная плата с металлическим сердечником — обеспечивает отвод тепла с низким сопротивлением, одновременно повышая механическую жесткость и стабильность размеров. Компромисс заключается в том, что алюминиевые печатные платы обычно однослойные и изготавливаются по другой технологии, что наглядно демонстрируют восемь этапов, описанных ниже. Более подробное описание конструкции см. Что такое алюминиевая печатная плата?.

2. 8 этапов изготовления алюминиевой печатной платы

В результате этого процесса алюминиевый ламинат с медным покрытием превращается в готовую, протестированную плату. На каждом этапе предусмотрен контроль качества, специфичный для конструкций с металлическим сердечником.

1. Выбор материала. Выберите алюминиевый ламинат с медным покрытием — с учетом веса меди, типа и толщины диэлектрика, а также сплава и толщины алюминия — в соответствии с требованиями к тепловым и электрическим характеристикам.
2. Подгонка по размеру. Разрежьте или обрежьте ламинат до нужного размера панели, стараясь при обращении с ним не повредить алюминий, избегая вмятин и царапин.
3. Бурение. Сверление отверстий для компонентов и монтажа; поскольку большинство алюминиевых печатных плат односторонние, отверстия не проделываются сквозь металлическое основание, а процесс сверления контролируется во избежание заусенцев и повреждения диэлектрика.
4. Формирование схем. Нанесите ламинированный сухой фоторезист, засветите его через изображение и проявите для формирования медной схемы.
5. Офорт. Для удаления открытой меди из цепи необходимо вытравить ее, затем снять резист; контроль травления защищает тонкие элементы и ширину дорожек.
6. Паяльная маска. Нанесите и затвердите защитную пленку для пайки поверх медных контактов, оставив контактные площадки открытыми и защитив схему.
7. Шелкография (легенда). Распечатайте условные обозначения, маркировку и идентификаторы компонентов.
8. Чистота поверхности, профилирование и тестирование. Нанесите финишное покрытие (HASL, ENIG или OSP), обработайте плату до окончательного контура, затем проведите электрическое тестирование и проверку.

Шаг, из-за которого люди спотыкаются

Фрезерование и сверление алюминия отличается от фрезерования FR-4 — металл выделяет тепло и образует заусенцы, требуя правильного инструмента и подачи, а диэлектрик не должен быть растрескан или размазан по отверстиям. Идеальное качество алюминиевой печатной платы зависит от правильного выполнения механических этапов (3 и 8) и обработки диэлектрика, а не только от качества изображения схемы.

3. Диэлектрический слой: где качество алюминиевых печатных плат имеет решающее значение.

Единственный слой, отличающий качественную алюминиевую печатную плату от посредственной, — это диэлектрик. Он выполняет две противоположные функции: электрическую изоляцию меди от алюминия и передачу тепла от меди к алюминию. Эти функции действуют в противоположных направлениях.

Компромисс между тепловыми и вольт-амперными характеристиками

Диэлектрик теплопроводность — обычно около 1–3 Вт/м·К, выше для материалов премиум-класса — определяет, насколько хорошо тепло проходит через него, и является настоящим узким местом, поскольку сам алюминий проводит тепло гораздо лучше. Более тонкий диэлектрик лучше проводит тепло, но выдерживает меньшее напряжение.Более толстый диэлектрик обеспечивает лучшую изоляцию, но при этом сильнее нагревается. Поэтому выбор типа и толщины диэлектрика является ключевым инженерным решением в любом проекте. Диэлектрический слой MCPCBИ его необходимо подобрать в соответствии с рассеиваемой мощностью платы и ее рабочим напряжением. Выбор диэлектрика должен соответствовать конкретному применению — не выбирая по умолчанию самый дешевый или самый тонкий вариант — и плата будет работать исправно; неправильный выбор приведет либо к перегреву, либо к поломке.

Семейство печатных плат с металлическим сердечником, к которому относятся алюминиевые платы, оценивается в диапазоне 13–16 миллиардов долларов, и его рост обусловлен прежде всего светодиодным освещением (около 45% спроса) и автомобильной электроникой (около 30%) — двумя областями применения, которые подталкивают объемы производства алюминиевых печатных плат к росту по мере электрификации освещения и электромобилей.

«На алюминиевой плате медь и металлическая основа — это простая часть, а тепло задерживается в диэлектрике. Посвятите свои инженерные расчеты именно этому: выберите диэлектрик, соответствующий мощности и напряжению, и плата будет выполнять свою работу».

— инженер-технолог по производству печатных плат с металлическим сердечником

Считывание тепловых показателей

Важные показатели легко сравнить. FR-4 проводит тепло примерно со скоростью... 0.3 Вт/м·К; диэлектрическая прослойка алюминиевой печатной платы составляет примерно 1–3 Вт/м·К (диэлектрические свойства высококачественных материалов достигают ~5–12), а сама алюминиевая основа имеет приблизительно 150–200 Вт/м·КПоскольку диэлектрик является самым резистивным слоем в структуре, он доминирует в общем тепловом сопротивлении платы (выраженном в °C/Вт от перехода до основания). Именно поэтому более тонкий диэлектрик с более высокой проводимостью снижает температуру силового устройства — и именно поэтому чрезмерное истончение диэлектрика ради достижения высоких тепловых показателей в конечном итоге приводит к снижению напряжения пробоя, которое он также должен обеспечивать. Правильная спецификация обеспечивает баланс между этими двумя параметрами и реальной мощностью платы, а также рабочим напряжением.

4. Правила проектирования алюминиевых печатных плат и распространенные дефекты.

Даже хорошо изготовленная алюминиевая печатная плата может выйти из строя, если при проектировании не учитываются реалии конструкции с металлическим сердечником. Однако несколько правил позволяют предотвратить большинство проблем.

Правила проектирования, которые имеют значение

• При выборе толщины меди необходимо соблюдать допустимые параметры травления, включая расстояние между медными элементами.
• Необходимо обеспечить зазор между медным проводником и краем платы/монтажными отверстиями, чтобы диэлектрик сохранял изоляцию по напряжению от алюминия.
• Размещайте компоненты с наибольшим тепловыделением там, где путь отвода тепла к алюминию кратчайший.
• С самого начала спланируйте контуры платы и места крепления для трассировки и интерфейса радиатора.

Типичные дефекты, которые необходимо устранять при проектировании и проверке.

• Диэлектрическое повреждение или загрязнение от бурения/прокладки трубопроводов, что нарушает изоляцию.
• Заусенцы на алюминии которые влияют на посадку и на теплопроводность.
• расслаивание между слоями из-за плохого ламинирования или термического напряжения.
• Сниженное напряжение пробоя из-за слишком тонкого или поврежденного диэлектрика.
• Искривление из-за неравномерной обработки металлической основы.

Большинство из них связаны с механическими этапами и выбором диэлектрика, поэтому линии с металлическим сердечником эксплуатируются и проверяются иначе, чем линии из FR-4 — причины отказов кроются в металле и диэлектрике, а не в меди.

5. Производство алюминиевых печатных плат в Highleap

Изготовление алюминиевых плат — это повседневная работа на нашей линии по производству плат с металлическим сердечником, и качество достигается за счет того, что диэлектрические и механические этапы рассматриваются как критически важные. В Highleap мы подбираем алюминиевый ламинат с медным покрытием в соответствии с вашими требованиями к тепловым характеристикам и напряжению, контролируем сверление и фрезеровку металла, чтобы избежать заусенцев и повреждения диэлектрика, а также проверяем изоляцию и качество отделки перед отгрузкой платы. Для светодиодных и осветительных приборов мы используем ту же конструкцию, оптимизированную для светоотдачи и отвода тепла, как описано в наших руководствах. алюминиевая светодиодная печатная плата Работа.

Если у вас есть алюминиевая печатная плата — для светодиодного освещения, питания, управления двигателями или автомобильной промышленности — пришлите проект, а также данные о мощности и напряжении, и мы порекомендуем диэлектрик, подтвердим правила проектирования и изготовим плату, которая действительно эффективно отводит тепло.

Запросите цену на вашу алюминиевую печатную плату.

6. Часто задаваемые вопросы об алюминиевых печатных платах

В чём разница между печатной платой с алюминиевым сердечником и печатной платой с металлическим сердечником?

Алюминиевая печатная плата — это наиболее распространенный тип печатных плат с металлическим сердечником (MCPCB). MCPCB — это более широкая категория: металлическая основа может быть выполнена из алюминия (наиболее распространенный и экономичный вариант), меди (более высокая тепловая эффективность, но дороже и тяжелее) или стального сплава. Таким образом, каждая алюминиевая печатная плата является MCPCB, но не каждая MCPCB использует алюминиевую основу.

Чем отличается производство алюминиевых печатных плат от производства плат из материала FR-4?

Этапы создания печатной платы схожи, но механические этапы различаются. Сверление и фрезеровка металлической основы генерируют тепло и заусенцы, поэтому требуются другие инструменты и режимы подачи; теплопроводящий диэлектрик не должен быть растрескан или размазан по отверстиям; и поскольку большинство алюминиевых печатных плат односторонние, отверстия не прокладываются сквозь металлическую основу. Даже обработка панели без повреждения алюминия является частью процесса.

Почему диэлектрический слой так важен в алюминиевых печатных платах?

Диэлектрик должен изолировать медь от алюминия, одновременно проводя тепло между ними, и эти цели противоречат друг другу. Более тонкий диэлектрик лучше проводит тепло, но выдерживает меньшее напряжение, поэтому его тип и толщина подбираются в соответствии с рассеиваемой мощностью платы и рабочим напряжением — это ключевое конструктивное решение для платы с металлическим сердечником.

Алюминиевые печатные платы однослойные или многослойные?

Большинство алюминиевых печатных плат имеют однослойную конструкцию: один медный слой поверх диэлектрика и алюминиевой основы. Многослойные алюминиевые конструкции существуют для более сложных проектов, но встречаются реже и требуют больше усилий в производстве.

Где используются алюминиевые печатные платы?

Отвод тепла от компактной печатной платы необходим везде: светодиодные светильники и модули, источники питания и преобразователи, приводы двигателей, автомобильная электроника и аналогичные энергоемкие приложения, где FR-4 будет слишком сильно нагреваться.

Можно ли проделать отверстия в алюминиевой печатной плате методом металлизации?

В стандартной односторонней алюминиевой печатной плате отверстия не металлизируются через металлическое основание, поскольку алюминий является проводящим основанием, а не внутренним слоем. В конструкциях, требующих металлизированных сквозных отверстий, используются другие конструкции с металлическим сердечником или многослойные конструкции.

Какие виды обработки поверхности доступны для алюминиевых печатных плат?

Наиболее распространенные покрытия — HASL, ENIG и OSP, выбор которых зависит от паяемости, срока хранения, плоскостности и стоимости, аналогично покрытию FR-4. ENIG подходит для мелкошаговых и плоских контактных площадок, а HASL экономичен для общего применения.