8 шагов к изготовлению идеальной алюминиевой печатной платы

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 светодиодных, силовых и автомобильных конструкциях. 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 представляет собой печатную плату с металлическим сердечником, состоящую из трех соединенных слоев: верхнего медного слоя , теплопроводящего диэлектрика посередине и алюминиевой базовой пластины под ним. 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 FR-4 является теплоизолятором, поэтому тепло от силового устройства накапливается и сокращает срок службы компонентов. Замена на алюминиевую основу — сердцевину печатной платы с металлическим сердечником — обеспечивает отвод тепла с низким сопротивлением, а также повышает 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. Для более подробного ознакомления с конструкцией см. раздел « 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

Теплопроводность диэлектрика — обычно около 1–3 Вт/м·К, выше для материалов премиум-класса — определяет, насколько хорошо тепло через него проходит, и это является настоящим узким местом, поскольку сам алюминий проводит тепло гораздо лучше. Более тонкий диэлектрик лучше проводит тепло, но выдерживает меньшее напряжение , в то время как более толстый лучше изолирует, но сильнее нагревается. Поэтому выбор типа и толщины диэлектрика является центральным инженерным решением в любом диэлектрическом слое многослойной печатной платы , и он должен соответствовать рассеиваемой мощности платы и ее рабочему напряжению. Выбор диэлектрика, соответствующего конкретному применению — а не выбор самого дешевого или самого тонкого по умолчанию — обеспечит работоспособность платы; неправильный выбор приведет либо к перегреву, либо к выходу из строя.

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 с эффективностью 0.3 Вт/м·К ; диэлектрик алюминиевой печатной платы имеет эффективность около 1–3 Вт/м·К (премиум-диэлектрики достигают ~5–12), а сама алюминиевая основа – около 150–200 Вт/м·К . Поскольку 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 уравновешивает эти два параметра с реальной мощностью и рабочим напряжением платы.

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 светового потока и отвода тепла, как и в случае с нашими алюминиевыми светодиодными печатными платами.

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.