8 ขั้นตอนในการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์อลูมิเนียมที่สมบูรณ์แบบ

แผงวงจร พิมพ์อะลูมิเนียมมีอยู่ด้วยเหตุผลเดียวคือ เพื่อระบายความร้อนออกจากวงจร โดยการแทนที่แกนฉนวน FR-4 ด้วยฐานโลหะ แผงวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมจะดึงความร้อนออกจากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และกระจายความร้อนไปทั่วแผง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการออกแบบ LED, แหล่งจ่ายไฟ และยานยนต์จึงใช้แผงวงจรพิมพ์อะลูมิเนียม แต่ "แผงวงจรพิมพ์อะลูมิเนียม" หมายถึงโครงสร้างแบบหลายชั้น ซึ่งคุณภาพของมันขึ้นอยู่กับชั้นที่อ่อนแอที่สุด และกระบวนการผลิตมีขั้นตอนที่ไม่ปรากฏในสายการผลิต FR-4 มาตรฐาน คู่มือนี้จะอธิบายขั้นตอนทั้งแปดในการผลิตแผงวงจรพิมพ์อะลูมิเนียม จากนั้นจะอธิบายชั้นไดอิเล็กทริกที่ตัดสินว่าแผงวงจรจะทำงานได้จริงหรือไม่ รวมถึงกฎการออกแบบและข้อบกพร่องที่แยกแผงวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมที่สมบูรณ์แบบออกจากความล้มเหลวในการใช้งานจริง

1. แผงวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมคืออะไร?

แผงวงจรพิมพ์อะลูมิเนียม (Aluminum PCB) คือแผงวงจรพิมพ์ที่มีแกนโลหะ สร้างขึ้นจากสามชั้นที่เชื่อมติดกัน ได้แก่ชั้นวงจรทองแดง ด้านบน ชั้นฉนวนความร้อนตรงกลาง และแผ่นฐานอะลูมิเนียมด้านล่าง กระแสไฟฟ้าไหลผ่านทองแดง ฉนวนจะทำหน้าที่เป็นฉนวนไฟฟ้าพร้อมทั้งนำความร้อน และอะลูมิเนียมทำหน้าที่เป็นตัวกระจายความร้อนและตัวระบายความร้อนในตัว

เหตุใดนักออกแบบจึงเลือกใช้อลูมิเนียมแทน FR-4

แผ่นวงจรพิมพ์ FR-4 มาตรฐานเป็นฉนวนกันความร้อน ดังนั้นความร้อนจากอุปกรณ์ไฟฟ้าจะสะสมและลดอายุการใช้งานของชิ้นส่วน การเปลี่ยนมาใช้ฐานอะลูมิเนียม ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของแผ่นวงจรพิมพ์แบบแกนโลหะจะช่วยให้ความร้อนระบายออกได้ง่ายขึ้นด้วยความต้านทานต่ำ พร้อมทั้งเพิ่มความแข็งแรงทางกลและความเสถียรของขนาด ข้อเสียคือแผ่นวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมมักจะเป็นแบบชั้นเดียวและมีกระบวนการผลิตที่แตกต่างออกไป ซึ่งขั้นตอนทั้งแปดด้านล่างนี้จะอธิบายอย่างละเอียด สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการผลิต โปรดดูที่ " แผ่นวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมคืออะไร "

2. 8 ขั้นตอนในการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์อลูมิเนียม (Aluminum PCB)

กระบวนการนี้เปลี่ยนแผ่นลามิเนตอะลูมิเนียมหุ้มทองแดงให้กลายเป็นแผ่นวงจรสำเร็จรูปที่ผ่านการทดสอบแล้ว แต่ละขั้นตอนมีตัวชี้วัดคุณภาพเฉพาะสำหรับโครงสร้างแกนโลหะ

1. การเลือกใช้วัสดุ เลือกแผ่นลามิเนตอะลูมิเนียมหุ้มทองแดง — น้ำหนักทองแดง ชนิดและความหนาของฉนวน และโลหะผสมและความหนาของอะลูมิเนียม — ให้ตรงกับข้อกำหนดด้านความร้อนและไฟฟ้า
2. ตัดให้ได้ขนาดพอดี ตัดหรือเฉือนแผ่นลามิเนตให้ได้ขนาดแผงที่ต้องการใช้งาน โดยระมัดระวังอย่าให้เกิดรอยบุบหรือรอยขีดข่วนบนอะลูมิเนียม
3. การขุดเจาะ เจาะรูสำหรับชิ้นส่วนและการติดตั้ง เนื่องจากแผ่นวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมส่วนใหญ่เป็นแบบด้านเดียว จึงไม่ได้เจาะรูทะลุฐานโลหะ และการเจาะจะต้องควบคุมเพื่อหลีกเลี่ยงเสี้ยนและความเสียหายต่อฉนวน
4. การออกแบบวงจร นำฟิล์มโฟโตเรซิสต์แบบแห้งมาเคลือบ แล้วฉายแสงผ่านชิ้นงานศิลปะ จากนั้นจึงนำไปล้างเพื่อกำหนดวงจรทองแดงให้ชัดเจน
5. การแกะสลัก กัดเซาะทองแดงส่วนที่เปิดโล่งออกเพื่อให้เห็นวงจร จากนั้นลอกสารเคลือบออก การควบคุมการกัดเซาะจะช่วยปกป้องรายละเอียดเล็กๆ และความกว้างของลายวงจร
6. หน้ากากประสาน ทาและอบสารเคลือบป้องกันการบัดกรีลงบนแผ่นทองแดง โดยปล่อยให้แผ่นโลหะสัมผัสอากาศและปกป้องวงจร
7. การพิมพ์สกรีน (คำอธิบาย) พิมพ์คำอธิบายส่วนประกอบ เครื่องหมาย และรหัสระบุต่างๆ
8. การตกแต่งพื้นผิว การขึ้นรูป และการทดสอบ เคลือบผิวหน้า (HASL, ENIG หรือ OSP) จากนั้นทำการตัดแผ่นวงจรให้ได้รูปทรงสุดท้าย แล้วทำการทดสอบทางไฟฟ้าและตรวจสอบ

ขั้นตอนที่ทำให้คนพลาดพลั้ง

การตัดและเจาะแผ่นอลูมิเนียมนั้นแตกต่างจากการตัดแผ่น FR-4 เพราะโลหะจะสร้างความร้อนและครีบ ทำให้ต้องใช้เครื่องมือและอัตราการป้อนที่เหมาะสม และฉนวนต้องไม่แตกหรือเลอะเข้าไปในรู แผ่น PCB อลูมิเนียมที่สมบูรณ์แบบนั้นขึ้นอยู่กับการควบคุมขั้นตอนทางกล (3 และ 8) และการจัดการฉนวนอย่างถูกต้อง ไม่ใช่แค่การสร้างภาพวงจรเท่านั้น

3. ชั้นฉนวน: จุดที่คุณภาพของแผ่นวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมจะดีหรือไม่ดี

ชั้นเดียวที่แยกแผ่นวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมคุณภาพดีออกจากแผ่นวงจรพิมพ์คุณภาพปานกลางคือชั้นไดอิเล็กทริก มันมีหน้าที่สองอย่างที่ตรงข้ามกัน คือ เป็นฉนวนไฟฟ้ากั้นระหว่างทองแดงกับอะลูมิเนียม และนำความร้อนจากทองแดงไปยังอะลูมิเนียม หน้าที่ทั้งสองนี้ดึงไปในทิศทางตรงกันข้าม

การแลกเปลี่ยนระหว่างความร้อนกับแรงดันไฟฟ้า

ค่าการนำความร้อนของฉนวนไฟฟ้าซึ่งโดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 1–3 วัตต์/เมตร·เคลวิน และสูงกว่าสำหรับวัสดุคุณภาพสูง เป็นตัวกำหนดว่าความร้อนจะไหลผ่านได้ดีเพียงใด และเป็นคอขวดที่แท้จริง เนื่องจากอะลูมิเนียมเองนำความร้อนได้ดีกว่ามาก ฉนวนไฟฟ้าที่บางกว่านำความร้อนได้ดีกว่า แต่ทนแรงดันไฟฟ้าได้น้อยกว่าในขณะที่ฉนวนไฟฟ้าที่หนากว่าจะฉนวนได้ดีกว่า แต่จะร้อนกว่า ดังนั้น การเลือกชนิดและความหนาของฉนวนไฟฟ้าจึงเป็นหัวใจสำคัญของการออกแบบชั้นฉนวนไฟฟ้าในแผงวงจรพิมพ์แบบหลายชั้น (MCPCB)และต้องให้เหมาะสมกับการกระจายพลังงานและแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานของแผงวงจร ควรระบุฉนวนไฟฟ้าให้เหมาะสมกับการใช้งาน ไม่ใช่เลือกแบบที่ถูกที่สุดหรือบางที่สุดโดยอัตโนมัติ หากเลือกผิด แผงวงจรอาจร้อนเกินไปหรือเสียหายได้

กลุ่มผลิตภัณฑ์ PCB แกนโลหะ ซึ่งแผ่นอลูมิเนียมเป็นส่วนหนึ่งนั้น มีมูลค่าอยู่ในช่วง 13-16 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ และการเติบโตส่วนใหญ่มาจากหลอดไฟ LED (ประมาณ 45% ของความต้องการ) และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับยานยนต์ (ประมาณ 30%) ซึ่งเป็นสองการใช้งานที่ผลักดันปริมาณ PCB อลูมิเนียมให้เพิ่มสูงขึ้น เนื่องจากระบบไฟส่องสว่างและรถยนต์ไฟฟ้ากำลังเปลี่ยนมาใช้ระบบไฟฟ้า

“บนแผ่นวงจรอะลูมิเนียม ทองแดงและฐานโลหะเป็นส่วนที่ง่ายที่สุด ส่วนที่ความร้อนสะสมอยู่คือฉนวนไฟฟ้า ดังนั้นจงทุ่มเทวิศวกรรมของคุณไปที่ส่วนนี้ เลือกฉนวนไฟฟ้าให้เหมาะสมกับกำลังไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้า แล้วแผ่นวงจรก็จะทำงานได้”

— วิศวกรกระบวนการผลิต PCB แกนโลหะ

การอ่านค่าอุณหภูมิ

ตัวเลขที่สำคัญนั้นเปรียบเทียบได้ง่าย FR-4 นำความร้อนได้ประมาณ0.3 วัตต์/เมตร·เคลวิน ในขณะ ที่ฉนวนของแผ่นวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมนำความร้อนได้ประมาณ1–3 วัตต์/เมตร·เคลวิน (ฉนวนคุณภาพสูงถึง ~5–12) และฐานอะลูมิเนียมเองนำความร้อนได้ประมาณ150–200 วัตต์/เมตร·เคลวินเนื่องจากฉนวนเป็นชั้นที่มีความต้านทานมากที่สุดในโครงสร้าง จึงเป็นตัวกำหนดค่าความต้านทานความร้อนโดยรวมของแผ่นวงจร (แสดงในหน่วย °C/วัตต์ จากจุดเชื่อมต่อถึงฐาน) นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมฉนวนที่บางกว่าและนำความร้อนได้สูงกว่าจึงช่วยลดอุณหภูมิของอุปกรณ์กำลังไฟฟ้า และทำไมการทำให้ฉนวนบางเกินไปเพื่อหวังผลด้านความร้อนจึงทำให้แรงดันไฟฟ้าที่ฉนวนต้องมีนั้นลดลงไปด้วย คุณสมบัติที่เหมาะสมจะสร้างสมดุลระหว่างสองสิ่งนี้กับกำลังไฟฟ้าจริงและแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานจริงของแผ่นวงจร

4. กฎการออกแบบแผงวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมและข้อบกพร่องทั่วไป

แผงวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมที่สร้างมาอย่างดีก็ยังอาจล้มเหลวได้หากการออกแบบไม่คำนึงถึงความเป็นจริงของการสร้างแกนโลหะ กฎเพียงไม่กี่ข้อก็ช่วยป้องกันปัญหาได้ส่วนใหญ่

กฎการออกแบบที่สำคัญ

• รักษาโครงสร้างและระยะห่างของทองแดงให้อยู่ภายในขีดความสามารถในการกัดกรดสำหรับน้ำหนักทองแดงที่เลือกไว้
• เว้นระยะห่างระหว่างทองแดงกับขอบแผ่นวงจร/รูยึด เพื่อให้ฉนวนยังคงทำหน้าที่เป็นฉนวนไฟฟ้าให้กับอะลูมิเนียม
• ควรวางชิ้นส่วนที่มีการระบายความร้อนสูงที่สุดไว้ในตำแหน่งที่ความร้อนไหลไปยังอะลูมิเนียมสั้นที่สุด
• วางแผนโครงร่างแผงวงจรและการติดตั้งสำหรับการเดินสายไฟและส่วนเชื่อมต่อระบายความร้อนตั้งแต่เริ่มต้น

ข้อบกพร่องทั่วไปที่ควรพิจารณาในการออกแบบและการตรวจสอบ

• ความเสียหายทางไดอิเล็กทริกหรือรอยเปื้อน จากการเจาะ/เดินท่อ ซึ่งทำให้การแยกส่วนไม่สมบูรณ์
• รอยขรุขระบนอะลูมิเนียม ซึ่งส่งผลต่อความพอดีและการเชื่อมต่อทางความร้อน
• delamination ระหว่างชั้นที่เกิดจากการเคลือบที่ไม่ดีหรือความเครียดจากความร้อน
• แรงดันพังทลายลดลง เกิดจากฉนวนไฟฟ้าที่บางเกินไปหรือเสียหาย
• แปรปรวน เกิดจากการแปรรูปฐานโลหะที่ไม่สม่ำเสมอ

ปัญหาส่วนใหญ่มีต้นตอมาจากขั้นตอนทางกลและวัสดุฉนวนที่เลือกใช้ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมสายการผลิตแบบแกนโลหะจึงมีการติดตั้งและตรวจสอบแตกต่างจากสายการผลิต FR-4 เพราะสาเหตุของความเสียหายมักอยู่ที่โลหะและฉนวน ไม่ใช่ทองแดง

5. การผลิต PCB อลูมิเนียมที่ Highleap

แผ่นวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมเป็นงานประจำวันในสายการผลิตแกนโลหะของเรา และคุณภาพมาจากการให้ความสำคัญกับขั้นตอนทางไฟฟ้าและทางกลเป็นขั้นตอนสำคัญ ที่ Highleap เราเลือกแผ่นลามิเนตอะลูมิเนียมหุ้มทองแดงให้ตรงตามข้อกำหนดด้านความร้อนและแรงดันไฟฟ้าของคุณ ควบคุมการเจาะและการตัดโลหะเพื่อหลีกเลี่ยงเสี้ยนและความเสียหายของฉนวน และตรวจสอบฉนวนและการตกแต่งก่อนจัดส่งแผ่นวงจร สำหรับงาน LED และระบบไฟส่องสว่าง เราสร้างโครงสร้างแบบเดียวกันที่ปรับแต่งเพื่อการส่งออกแสงและการระบายความร้อน เช่นเดียวกับงานPCB อะลูมิเนียมสำหรับ LED ของเรา

หากคุณมีแผงวงจรพิมพ์อะลูมิเนียม (PCB) สำหรับไฟ LED, แหล่งจ่ายไฟ, ตัวขับมอเตอร์ หรือยานยนต์ โปรดส่งแบบการออกแบบและข้อมูลกำลังไฟและแรงดันไฟฟ้าของคุณมาให้เรา เราจะแนะนำวัสดุฉนวน ตรวจสอบกฎการออกแบบ และสร้างแผงวงจรที่สามารถระบายความร้อนได้อย่างแท้จริง

ขอใบเสนอราคาสำหรับแผ่นวงจรพิมพ์อลูมิเนียม (Aluminum PCB)

6. คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับแผงวงจรพิมพ์อะลูมิเนียม (Aluminum PCB)

แผงวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมกับแผงวงจรพิมพ์แกนโลหะแตกต่างกันอย่างไร?

แผ่นวงจรพิมพ์อะลูมิเนียม (Aluminum PCB) เป็นแผ่นวงจรพิมพ์แบบแกนโลหะ (Metal-Core PCB หรือ MCPCB) ที่พบได้บ่อยที่สุด MCPCB เป็นคำที่ใช้เรียกโดยรวม โดยฐานโลหะอาจเป็นอะลูมิเนียม (พบได้บ่อยและประหยัดที่สุด), ทองแดง (ประสิทธิภาพการระบายความร้อนสูงกว่า แต่มีราคาแพงกว่าและหนักกว่า) หรือโลหะผสมเหล็ก ดังนั้นแผ่นวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมทุกแผ่นจึงเป็น MCPCB แต่ไม่ใช่ว่า MCPCB ทุกแผ่นจะใช้ฐานเป็นอะลูมิเนียมเสมอไป

เหตุใดการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์อลูมิเนียมจึงแตกต่างจากการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ FR-4?

ขั้นตอนการสร้างภาพวงจรนั้นคล้ายคลึงกัน แต่ขั้นตอนทางกลนั้นแตกต่างกัน การเจาะและการเซาะร่องฐานโลหะทำให้เกิดความร้อนและเศษโลหะ และต้องใช้เครื่องมือและอัตราการป้อนที่แตกต่างกัน ฉนวนนำความร้อนต้องไม่แตกหรือเลอะเข้าไปในรู และเนื่องจากแผ่นวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมส่วนใหญ่เป็นแบบด้านเดียว รูจึงไม่ได้เจาะทะลุฐานโลหะ แม้แต่การหยิบจับแผ่นโดยไม่ทำให้เกิดรอยบุบก็เป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการ

เหตุใดชั้นฉนวนจึงมีความสำคัญมากในแผ่นวงจรพิมพ์อะลูมิเนียม?

ฉนวนต้องทำหน้าที่เป็นฉนวนกั้นระหว่างทองแดงกับอะลูมิเนียม ในขณะเดียวกันก็ต้องนำความร้อนระหว่างกันด้วย ซึ่งเป้าหมายเหล่านี้ขัดแย้งกัน ฉนวนที่บางกว่าจะนำความร้อนได้ดีกว่า แต่ทนแรงดันไฟฟ้าได้น้อยกว่า ดังนั้นชนิดและความหนาของฉนวนจึงต้องเหมาะสมกับกำลังการกระจายความร้อนและแรงดันไฟฟ้าใช้งานของแผงวงจร ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของการออกแบบแผงวงจรแกนโลหะ

แผ่นวงจรพิมพ์อลูมิเนียมเป็นแบบชั้นเดียวหรือหลายชั้น?

แผงวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมส่วนใหญ่เป็นแบบชั้นเดียว โดยมีชั้นวงจรทองแดงเพียงชั้นเดียวอยู่เหนือฉนวนและฐานอะลูมิเนียม โครงสร้างอะลูมิเนียมหลายชั้นมีอยู่สำหรับงานออกแบบที่ซับซ้อนกว่า แต่พบได้น้อยกว่าและมีกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนกว่า

แผงวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมใช้ในงานใดบ้าง?

เหมาะสำหรับใช้งานในทุกที่ที่ต้องการระบายความร้อนออกจากแผงวงจรขนาดกะทัดรัด เช่น ไฟ LED และโมดูล, แหล่งจ่ายไฟและตัวแปลงไฟ, ตัวขับมอเตอร์, อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในรถยนต์ และแอปพลิเคชันที่ต้องการกำลังไฟฟ้าสูงในลักษณะเดียวกัน ซึ่งวัสดุ FR-4 จะร้อนเกินไป

สามารถเจาะรูผ่านแผ่นวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมได้หรือไม่?

ในแผ่นวงจรพิมพ์อลูมิเนียมแบบด้านเดียวมาตรฐาน รูเจาะจะไม่ทะลุผ่านฐานโลหะ เนื่องจากอลูมิเนียมเป็นฐานนำไฟฟ้า ไม่ใช่ชั้นภายใน การออกแบบที่ต้องการรูเจาะทะลุด้วยแผ่นวงจรพิมพ์ จะใช้โครงสร้างแบบแกนโลหะหรือแบบหลายชั้นที่แตกต่างกัน

มีพื้นผิวเคลือบแบบใดบ้างสำหรับแผ่นวงจรพิมพ์อะลูมิเนียม?

การเคลือบผิวที่นิยมใช้กันทั่วไป ได้แก่ HASL, ENIG และ OSP ซึ่งเลือกใช้ตามคุณสมบัติการบัดกรี อายุการใช้งาน ความเรียบ และต้นทุน เช่นเดียวกับแผ่น FR-4 ENIG เหมาะสำหรับงานที่มีระยะห่างระหว่างขาแคบและแผ่นเรียบ ในขณะที่ HASL มีราคาประหยัดกว่าสำหรับงานทั่วไป