Понимание печатной платы с алюминиевой подложкой: типы и преимущества

Печатные платы (PCB) являются важными компонентами практически всех электронных устройств. Для лучшего понимания печатных плат в этом руководстве будут рассмотрены типы алюминиевых подложек для печатных плат и распространенные проблемы, возникающие при копировании печатных плат. Если вас интересуют печатные платы или содержание этой статьи, можете продолжить чтение.

Что выделяет печатные платы с алюминиевой подложкой?

Ранее мы обсуждали преимущества и недостатки керамических печатных плат, отмечая, что одним из недостатков является их высокая стоимость и хрупкость. Стандартные печатные платы из стекловолокна плохо рассеивают тепло, в то время как керамические платы стабильны и устойчивы к деформации в условиях высоких температур и влажности, но они дороги и в основном используются в высококачественной продукции. Если ваш продукт не относится к категории высококачественной продукции, например, большие светодиодные платы высокой мощности , требующие хорошего теплоотвода, но при этом экономичные, существует ли подходящий материал?

Ответ — да, и именно здесь на помощь приходят печатные платы с алюминиевой подложкой. Алюминий, будучи проводящим металлом, может показаться странным выбором для материала печатной платы , но печатные платы с алюминиевой подложкой состоят из трех слоев: медной фольги, изоляционного слоя и металлического слоя алюминия. Поскольку есть изоляционный слой, можно ли использовать для металлического слоя другие материалы, помимо алюминия? Например, медь, нержавеющую сталь, железо, кремнистую сталь и т. д.? При выборе металлической подложки необходимо учитывать такие факторы, как коэффициент теплового расширения, теплопроводность, прочность, твердость, вес, состояние поверхности и стоимость.

В целом, учитывая стоимость и технические характеристики, алюминий — идеальный выбор. Обычно для алюминиевых плит выбирают марки 6061, 5052, 1060 и т. д. Если существуют более высокие требования к теплопроводности, механическим характеристикам, электрическим характеристикам и другим специальным свойствам, также можно использовать медь, нержавеющую сталь, железо и кремниевую сталь.

Печатные платы с алюминиевой подложкой, распространенные в продуктах светодиодного освещения, имеют две стороны: одну белую сторону для пайки выводов светодиодов, а другую сторону цвета натурального алюминия, обычно покрытую термопастой для контакта с теплопроводящей частью. Они в основном используются в светодиодных светильниках, аудиоаппаратуре, силовом оборудовании и т. д., при этом основным преимуществом является быстрая теплопроводность и отличные характеристики рассеивания тепла.

По сравнению с традиционным FR-4 , печатные платы на алюминиевой подложке позволяют минимизировать тепловое сопротивление, обеспечивая превосходную теплопроводность; по сравнению с керамическими подложками они обладают превосходными механическими свойствами.

 Типы алюминиевых подложек печатных плат

1. Гибкие алюминиевые подложки : Одной из последних разработок в области материалов для ионно-магнитной стержня являются гибкие диэлектрики. Эти материалы обладают превосходной электрической изоляцией, гибкостью и теплопроводностью. При нанесении на такие материалы, как алюминий марки 5754 или аналогичный гибкий алюминий, их можно формировать, придавая им различные формы и углы, что устраняет необходимость в дорогостоящих креплениях, кабелях и разъемах. Несмотря на свою гибкость, эти материалы спроектированы таким образом, чтобы изгибаться и оставаться в заданном положении.

2. Гибридные алюминиевые подложки : В «гибридной» структуре IMS нетепловые вещества обрабатываются независимо друг от друга, а затем соединяются с алюминиевой подложкой с помощью теплопроводящего материала. Наиболее распространенная структура состоит из 2 или 4 слоев субкомпонентов, изготовленных из традиционного FR-4, которые затем соединяются с алюминиевой основой с помощью теплопроводящего диэлектрика. Это может способствовать рассеиванию тепла, повышению жесткости и выполнять функцию экранирования. Другие преимущества включают:

• • Более низкая стоимость, чем строительство всех тепловых материалов.
  • Лучшие тепловые характеристики, чем у стандартных продуктов FR-4.
  • Устранение дорогостоящих радиаторов и связанных с ними этапов сборки.
  • Подходит для радиочастотных применений, требующих поверхностных слоев из ПТФЭ для обеспечения характеристик радиочастотных потерь.
  • Использование окон для компонентов из алюминия для размещения компонентов со сквозными отверстиями, позволяющих разъемам и кабелям проходить через плату при пайке закругленных углов для создания уплотнения без необходимости использования специальных шайб или других дорогостоящих адаптеров.

3. Многослойные алюминиевые подложки : На рынке высокопроизводительных источников питания многослойные печатные платы IMS изготавливаются из нескольких слоев теплопроводящего диэлектрика. В этих структурах один или несколько слоев цепей встроены в диэлектрик, а глухие переходные отверстия используются в качестве тепловых или сигнальных трактов. Хотя однослойные конструкции дороже и менее эффективны в плане теплоотвода, они обеспечивают простое и эффективное решение для рассеивания тепла в более сложных конструкциях.

4. Алюминиевые подложки со сквозными отверстиями : В самых сложных конструкциях слой алюминия может образовывать «сердцевину» многослойных тепловых структур. Перед ламинированием алюминий предварительно покрывается диэлектриком. Тепловые материалы или субкомпоненты могут быть приклеены к обеим сторонам алюминия с помощью термоклеящего слоя. После ламинирования готовый компонент похож на традиционную многослойную алюминиевую подложку, просверленную насквозь. Через зазоры в алюминии проходят гальванизированные сквозные отверстия для обеспечения электрической изоляции. В качестве альтернативы, медные сердечники могут обеспечивать как прямые электрические соединения, так и изолированные сквозные отверстия.

Преимущества алюминиевых подложек печатных плат

Помимо превосходных характеристик рассеивания тепла, печатная плата с алюминиевой подложкой имеет следующие преимущества:

• Соответствие экологическим требованиям RoHS.
• Больше подходит для процесса SMT.
• Более высокая токовая нагрузка.
• Эффективное управление диффузией тепла при проектировании схем, снижение рабочей температуры модуля, продление срока службы, увеличение удельной мощности и повышение надежности.
• Сокращение затрат на сборку радиаторов и другого оборудования (включая материалы термоинтерфейса), уменьшение размеров изделия, снижение затрат на оборудование и сборку, а также оптимизация комбинации силовых цепей и цепей управления.
• Замена хрупких керамических подложек для повышения механической прочности.

По сравнению с обычными платами FR-4 печатная плата с алюминиевой подложкой имеет главное преимущество: она может выдерживать более высокий ток. Как и в FR-4, в слоях схемы в качестве проводников для соединения используется медная фольга. По сравнению с традиционным FR-4, с той же толщиной и шириной линии, печатная плата с алюминиевой подложкой может выдерживать более высокий ток.

Основная технология изготовления печатных плат с алюминиевой подложкой заключается в использовании материала промежуточного изоляционного слоя, который в основном выполняет функции соединения, изоляции и теплопроводности. Изоляционный слой алюминиевой подложки печатной платы является крупнейшим тепловым барьером в конструкции силовых модулей. Чем лучше теплопроводность изоляционного слоя, тем больше он способствует диффузии тепла, образующегося при работе устройства, что, в свою очередь, способствует снижению рабочей температуры устройства, достижению более высокой силовой нагрузки модуля, уменьшению габаритов, продление срока службы и увеличение выходной мощности. Отвечая требованиям хорошей теплопроводности, он также должен иметь изоляционную способность при высоком напряжении.

Различия между алюминиевым основанием и платой FR-4

Рассеивание тепла

Самая большая разница между ламинатом с медным покрытием на основе алюминия (CCL) и обычным CCL FR-4 заключается в их свойствах рассеивания тепла. Например, по сравнению с CCL FR-1.5 толщиной 4 мм термическое сопротивление CCL на основе алюминия составляет 20-22 ℃ для первого и 1.0-2.0 ℃ для второго, что значительно ниже.

Коэффициент температурного расширения

Как правило, платы FR-4 страдают от проблем с тепловым расширением, когда высокие температуры могут вызвать изменения толщины и плоскостности, особенно в направлении толщины, что влияет на качество металлизированных отверстий и схем. В основном это связано с разными коэффициентами теплового расширения в направлении толщины материала: медь имеет коэффициент 17×10^-6 см/см℃, а материал основы платы FR-4 составляет 110×10^-6 см/см. ℃, что может легко привести к эффекту теплового расширения. Коэффициент теплового расширения плат на основе алюминия составляет 50×10^-6 см/см℃, что меньше, чем у обычных плат FR-4, и ближе к коэффициенту теплового расширения медной фольги. Это помогает обеспечить качество и надежность печатных плат.

Основные области применения

Платы FR-4 подходят для проектирования общих схем и обычных электронных изделий. Платы на основе алюминия подходят для схем с особыми требованиями, таких как толстопленочные гибридные интегральные схемы, рассеивание тепла для силовых цепей, охлаждение компонентов в схемах, крупногабаритные подложки, с которыми не могут справиться керамические подложки, и схемы, с которыми не могут справиться обычные радиаторы. проблемы с надежностью.

Machinability

Плиты на основе алюминия обладают высокой механической прочностью и вязкостью, превосходящей плиты FR-4. Таким образом, на платах на основе алюминия можно изготавливать печатные платы большой площади, а на такие подложки устанавливать тяжелые компоненты.

Электрические характеристики

По сравнению с платами ФР-4 платы на основе алюминия обладают более высокой теплопроводностью, что приводит к значительному увеличению токопроводящей способности проводников. Это говорит о высокой теплопроводности плат на основе алюминия. Теплоотдача плит на основе алюминия связана с толщиной их изоляционного слоя и теплопроводностью. Более тонкие изоляционные слои приводят к более высокой теплопроводности плат на основе алюминия (но к более низким характеристикам выдерживаемого напряжения). Чтобы обеспечить работоспособность электронных схем, некоторые компоненты электронных изделий должны предотвращать электромагнитное излучение и помехи. Платы на основе алюминия могут действовать как экранирующие пластины для защиты от электромагнитных волн.

Производительность изоляции

В общих условиях напряжение пробоя плат на основе алюминия определяется толщиной изоляционного слоя, при этом напряжение пробоя обычно составляет около 500 В. Если вам необходимо проверить напряжение пробоя платы светодиодной люминесцентной лампы на алюминиевой основе, вам просто нужно выполнить высоковольтную проверку корпуса входного порта. Значения сертификации UL и CE должны составлять 2500 В, а сертификации 3C — около 3750 В.