Förstå aluminiumsubstrat PCB: typer och fördelar

PCB, eller kretskort, är viktiga komponenter i nästan alla elektroniska enheter. För att förbättra din förståelse av PCB kommer den här guiden att introducera de olika typerna av PCB-aluminiumsubstrat och vanliga hinder vid kopiering av PCB. Om du är intresserad av PCB eller innehållet i den här artikeln kan du gärna fortsätta läsa.

Vad är det som gör att aluminiumsubstrat-PCB sticker ut?

Tidigare diskuterade vi för- och nackdelarna med keramiska kretskort och noterade att en nackdel är deras höga kostnad och ömtålighet. Vanliga glasfiberkretskort saknar god värmeavledning, medan keramiska kretskort är stabila och motståndskraftiga mot deformation i miljöer med hög temperatur och hög luftfuktighet, men de är dyra och används främst i exklusiva produkter. Om din produkt inte är exklusiv, till exempel stora LED-ljuskort med hög effekt som kräver god värmeavledning men är kostnadseffektiva, finns det ett material som passar?

Svaret är ja, och det är där aluminiumsubstrat-PCB kommer in i bilden. Aluminium, eftersom det är en metall med konduktivitet, kan verka som ett udda val för PCB-material , men aluminiumsubstrat-PCB består av tre lager: kopparfolie, ett isoleringsskikt och ett metalllager av aluminium. Eftersom det finns ett isoleringsskikt, kan andra material än aluminium användas för metallskiktet? Material som koppar, rostfritt stål, järn, kiselstål etc.? Vid val av metallsubstrat måste faktorer som värmeutvidgningskoefficient, värmeledningsförmåga, hållfasthet, hårdhet, vikt, ytbeskaffenhet och kostnad beaktas.

Generellt sett, med tanke på kostnad och teknisk prestanda, är aluminium ett idealiskt val. Vanliga val för aluminiumskivor inkluderar 6061, 5052, 1060 etc. Om det finns högre krav på värmeledningsförmåga, mekanisk prestanda, elektrisk prestanda och andra speciella egenskaper kan även koppar, rostfritt stål, järn och kiselstål användas.

Vanligt i LED-belysningsprodukter har aluminiumsubstrat PCB två sidor: en vit sida för lödning av LED-stift och den andra sidan är naturlig aluminiumfärg, vanligtvis belagd med termisk pasta för att komma i kontakt med den värmeledande delen. De används främst i LED-armaturer, ljudutrustning, kraftutrustning etc., med den största fördelen är snabb värmeledning och utmärkt värmeavledningsprestanda.

Jämfört med traditionella FR-4 kan aluminiumsubstrat-kretskort minimera värmeresistansen och ge utmärkt värmeledningsförmåga; jämfört med keramiska substrat har de utmärkta mekaniska egenskaper.

 Typer av PCB-aluminiumsubstrat

1. Flexibla aluminiumsubstrat : En av de senaste utvecklingarna inom IMS-material är flexibla dielektriska material. Dessa material erbjuder utmärkt elektrisk isolering, flexibilitet och värmeledningsförmåga. När de appliceras på material som 5754 eller liknande flexibel aluminium kan de formas för att uppnå olika former och vinklar, vilket eliminerar behovet av dyra fixturer, kablar och kontakter. Även om dessa material är flexibla är de utformade för att böjas på plats och förbli på plats.

2. Hybrida aluminiumsubstrat : I en "hybrid" IMS-struktur bearbetas icke-termiska ämnen oberoende av varandra och binds sedan till aluminiumsubstratet med ett termiskt material. Den vanligaste strukturen består av 2 eller 4 lager av delkomponenter tillverkade av traditionell FR-4, som sedan binds till aluminiumbasen med ett värmeledande dielektrikum. Detta kan bidra till värmeavledning, förbättra styvheten och fungera som avskärmning. Andra fördelar inkluderar:

• • Lägre kostnad än att bygga alla termiska material.
  • Bättre termisk prestanda än vanliga FR-4-produkter.
  • Eliminering av dyra kylflänsar och relaterade monteringssteg.
  • Lämplig för RF-applikationer som kräver PTFE-ytskikt för RF-förlustegenskaper.
  • Användning av komponentfönster i aluminium för att få plats med genomgående hålkomponenter, vilket gör att kontakter och kablar kan passera genom kortet samtidigt som man löder runda hörn för att skapa en tätning, utan behov av speciella brickor eller andra dyra adaptrar.

3. Flerskiktade aluminiumsubstrat : På marknaden för högpresterande strömförsörjning tillverkas flerskiktade IMS-kretskort av flera lager av termiskt dielektrikum. Dessa strukturer har ett eller flera lager av kretsar inbäddade i dielektrikumet, med blinda vias som används som termiska vias eller signalvägar. Medan enskiktskonstruktioner är dyrare och mindre effektiva på att överföra värme, ger de en enkel och effektiv värmeavledningslösning för mer komplexa konstruktioner.

4. Genomgående hål i aluminiumsubstrat : I de mest komplexa strukturerna kan ett lager av aluminium bilda "kärnan" i flerskiktade termiska strukturer. Före laminering förpläteras aluminiumet och fylls med dielektrikum. Termiska material eller delkomponenter kan lamineras på båda sidor av aluminiumet med hjälp av ett termiskt adhesivt lager. När lamineringen är klar liknar den färdiga komponenten ett traditionellt flerskiktat aluminiumsubstrat som borras genom aluminiumet. Pläterade genomgående hål passerar genom springorna i aluminiumet för att bibehålla elektrisk isolering. Alternativt kan kopparkärnor möjliggöra direkta elektriska anslutningar såväl som isolerade genomgående hål.

Fördelar med PCB-aluminiumsubstrat

Förutom sin utmärkta värmeavledningsprestanda har aluminiumsubstrat PCB följande fördelar:

• Överensstämmelse med RoHS miljökrav.
• Mer lämplig för SMT-process.
• Högre strömförande kapacitet.
• Effektiv hantering av värmespridning i kretsdesign, sänker modulens driftstemperatur, förlänger livslängden, ökar effekttätheten och förbättrar tillförlitligheten.
• Minskning av monteringen av kylflänsar och annan hårdvara (inklusive termiska gränssnittsmaterial), krympande produktstorlek, reducering av hårdvaru- och monteringskostnader och optimering av kombinationen av kraftkretsar och styrkretsar.
• Byte av ömtåliga keramiska underlag för bättre mekanisk hållbarhet.

Jämfört med vanliga FR-4-kort har aluminiumsubstrat PCB en stor fördel genom att det kan bära högre ström. Liksom FR-4 använder kretsskikten kopparfolie som ledare för anslutning. Jämfört med traditionella FR-4, med samma tjocklek och linjebredd, kan aluminiumsubstrat PCB bära högre ström.

Kärnteknologin för aluminiumsubstrat PCB ligger i det mellanliggande isoleringsskiktsmaterialet, som huvudsakligen tjänar funktionerna bindning, isolering och värmeledning. Isoleringsskiktet av aluminiumsubstrat PCB är den största termiska barriären i strukturen av kraftmoduler. Ju bättre värmeledningsförmåga isoleringsskiktet har, desto mer gynnsamt är det för spridningen av värme som genereras under enhetens drift, vilket i sin tur bidrar till att minska enhetens driftstemperatur, uppnå högre effektbelastning av modulen, minska storleken, förlänger livslängden och ökar effektuttaget. Samtidigt som den uppfyller kraven på god värmeledningsförmåga bör den också ha högspänningsisoleringsförmåga.

Skillnader mellan aluminiumbas och FR-4-kort

Värmeavledning

Den största skillnaden mellan aluminiumbaserat kopparbelagt laminat (CCL) och konventionella FR-4 CCL ligger i deras värmeavledningsegenskaper. Till exempel, jämfört med en 1.5 mm tjock FR-4 CCL, är den termiska resistansen för en aluminiumbaserad CCL 20-22 ℃ för den förra och 1.0-2.0 ℃ för den senare, vilket är betydligt lägre.

Värmeutvidgningskoefficient

Typiskt lider FR-4-kort av termiska expansionsproblem, där höga temperaturer kan orsaka förändringar i tjocklek och planhet, särskilt i tjockleksriktningen, vilket påverkar kvaliteten på metallpläterade hål och kretsar. Detta beror främst på de olika värmeutvidgningskoefficienterna i materialtjockleksriktningen: koppar har en koefficient på 17×10^-6 cm/cm℃, medan FR-4-skivans basmaterial är 110×10^-6 cm/cm ℃, vilket lätt kan leda till termiska expansionseffekter. Värmeutvidgningskoefficienten för aluminiumbaserade skivor är 50×10^-6 cm/cm℃, mindre än den för allmänna FR-4-skivor, och närmare kopparfoliens. Detta hjälper till att säkerställa kvaliteten och tillförlitligheten hos kretskort.

Huvudansökningar

FR-4-kort är lämpliga för allmän kretsdesign och vanliga elektroniska produkter. Aluminiumbaserade kort är lämpliga för kretsar med speciella krav, såsom tjockfilmshybridintegrerade kretsar, värmeavledning för kraftkretsar, kylning av komponenter i kretsar, storskaliga substrat som keramiska substrat inte kan hantera och kretsar där vanliga kylflänsar inte kan lösa tillförlitlighetsfrågor.

bearbetbarhet

Aluminiumbaserade skivor har hög mekanisk hållfasthet och seghet, vilket är överlägset FR-4 skivor. Därför kan tryckta skivor med stor yta tillverkas på aluminiumbaserade skivor, och tunga komponenter kan installeras på sådana substrat.

Elektrisk prestanda

Jämfört med FR-4-kort har aluminiumbaserade skivor högre värmeledningsförmåga, vilket leder till en betydande ökning av ledarnas strömförande kapacitet. Detta indikerar den höga värmeledningsförmågan hos aluminiumbaserade skivor. Värmeavledningen av aluminiumbaserade skivor är relaterad till tjockleken på deras isoleringsskikt och värmeledningsförmåga. Tunnare isoleringsskikt resulterar i högre värmeledningsförmåga hos aluminiumbaserade skivor (men lägre motstå spänningsprestanda). För att säkerställa prestanda hos elektroniska kretsar måste vissa komponenter i elektroniska produkter förhindra elektromagnetisk strålning och störningar. Aluminiumbaserade skivor kan fungera som skärmande plattor för att skärma av elektromagnetiska vågor.

Isolationsprestanda

Under allmänna förhållanden bestäms genombrottsspänningen för aluminiumbaserade skivor av tjockleken på isoleringsskiktet, med en genomslagsspänning i allmänhet runt 500V. Om du behöver testa genombrottsspänningen för ett LED-lysrörs aluminiumbaserat kort behöver du bara utföra ett högspänningstest på ingångsportens hölje. UL- och CE-certifieringsvärdena bör vara 2500V, och 3C-certifieringen bör vara runt 3750V.