ทำความเข้าใจเกี่ยวกับ PCB ที่ทำจากอะลูมิเนียม: ประเภทและข้อดี

แผงวงจรพิมพ์ (PCB) เป็นส่วนประกอบสำคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกือบทุกชนิด เพื่อเพิ่มความเข้าใจเกี่ยวกับ PCB คู่มือนี้จะแนะนำประเภทของแผ่นรองพื้นอะลูมิเนียมสำหรับ PCB และอุปสรรคทั่วไปในการคัดลอก PCB หากคุณสนใจ PCB หรือเนื้อหาในบทความนี้ โปรดอ่านต่อ

อะไรทำให้ PCB ที่ทำจากอะลูมิเนียมโดดเด่น?

ก่อนหน้านี้ เราได้พูดคุยถึงข้อดีและข้อเสียของแผงวงจรพิมพ์เซรามิก โดยระบุว่าข้อเสียอย่างหนึ่งคือราคาสูงและความเปราะบาง แผงวงจรพิมพ์ไฟเบอร์กลาสมาตรฐานนั้นระบายความร้อนได้ไม่ดี ในขณะที่แผงวงจรพิมพ์เซรามิกมีความเสถียรและทนต่อการเสียรูปในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิและความชื้นสูง แต่มีราคาแพงและส่วนใหญ่ใช้ในผลิตภัณฑ์ระดับไฮเอนด์ หากผลิตภัณฑ์ของคุณไม่ใช่ระดับไฮเอนด์ เช่นแผงไฟ LED ขนาดใหญ่กำลังสูง ที่ต้องการการระบายความร้อนที่ดีแต่คุ้มค่า มีวัสดุใดที่เหมาะสมกับความต้องการนี้หรือไม่?

คำตอบคือใช่ และนั่นคือเหตุผลที่ต้องใช้แผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ที่มีพื้นผิวเป็นอะลูมิเนียม อะลูมิเนียมเป็นโลหะที่มีคุณสมบัติการนำไฟฟ้า อาจดูเหมือนเป็นวัสดุที่ไม่เหมาะสมสำหรับทำ PCBแต่แผ่นวงจรพิมพ์ที่มีพื้นผิวเป็นอะลูมิเนียมนั้นประกอบด้วยสามชั้น ได้แก่ ฟอยล์ทองแดง ชั้นฉนวน และชั้นโลหะอะลูมิเนียม เนื่องจากมีชั้นฉนวนอยู่แล้ว จึงสามารถใช้วัสดุอื่นนอกจากอะลูมิเนียมสำหรับชั้นโลหะได้หรือไม่ เช่น ทองแดง สแตนเลส เหล็ก เหล็กซิลิคอน เป็นต้น เมื่อเลือกพื้นผิวโลหะ ต้องพิจารณาปัจจัยต่างๆ เช่น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน การนำความร้อน ความแข็งแรง ความแข็ง น้ำหนัก สภาพพื้นผิว และต้นทุน

โดยทั่วไปแล้ว เมื่อพิจารณาจากต้นทุนและประสิทธิภาพทางเทคนิคแล้ว อะลูมิเนียมถือเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุด ตัวเลือกทั่วไปสำหรับแผ่นอะลูมิเนียม ได้แก่ 6061, 5052, 1060 เป็นต้น หากมีข้อกำหนดด้านการนำความร้อน ประสิทธิภาพเชิงกล ประสิทธิภาพทางไฟฟ้า และคุณสมบัติพิเศษอื่นๆ ที่สูงกว่า ก็สามารถใช้ทองแดง สเตนเลส เหล็ก และเหล็กซิลิคอนได้เช่นกัน

แผงวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมที่ใช้กับผลิตภัณฑ์ไฟ LED มักมีสองด้าน ด้านหนึ่งเป็นสีขาวสำหรับบัดกรีพิน LED และอีกด้านหนึ่งเป็นสีอลูมิเนียมธรรมชาติ โดยทั่วไปจะเคลือบด้วยสารหล่อเย็นเพื่อสัมผัสกับส่วนที่นำความร้อน แผงวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมเหล่านี้มักใช้ในโคมไฟ LED อุปกรณ์เครื่องเสียง อุปกรณ์ไฟฟ้า เป็นต้น โดยมีข้อดีหลักคือนำความร้อนได้เร็วและมีประสิทธิภาพในการระบายความร้อนที่ยอดเยี่ยม

เมื่อเปรียบเทียบกับ PCB ที่ใช้แผ่นรองพื้น FR-4 แบบดั้งเดิม PCB ที่ใช้แผ่นรองพื้นอะลูมิเนียมสามารถลดความต้านทานความร้อนได้อย่างมาก ทำให้มีการนำความร้อนที่ดีเยี่ยม และเมื่อเปรียบเทียบกับแผ่นรองพื้นเซรามิกแล้ว PCB ที่ใช้แผ่นรองพื้นอะลูมิเนียมก็มีคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยมเช่นกัน

 ประเภทของแผ่นอลูมิเนียม PCB

1. แผ่นรองพื้นอะลูมิเนียมแบบยืดหยุ่น : หนึ่งในพัฒนาการล่าสุดของวัสดุ IMS คือฉนวนไฟฟ้าแบบยืดหยุ่น วัสดุเหล่านี้มีคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม มีความยืดหยุ่น และนำความร้อนได้ดี เมื่อนำไปใช้กับวัสดุอย่างเช่น 5754 หรืออะลูมิเนียมแบบยืดหยุ่นอื่นๆ ที่คล้ายกัน จะสามารถขึ้นรูปเป็นรูปทรงและมุมต่างๆ ได้ ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ยึด สายเคเบิล และตัวเชื่อมต่อที่มีราคาแพง แม้ว่าวัสดุเหล่านี้จะยืดหยุ่นได้ แต่ก็ได้รับการออกแบบมาให้โค้งงอและคงอยู่ในตำแหน่งนั้นได้

2. แผ่นรองพื้นอะลูมิเนียมแบบไฮบริด : ในโครงสร้าง IMS แบบ "ไฮบริด" วัสดุที่ไม่นำความร้อนจะถูกแปรรูปแยกกัน จากนั้นจึงเชื่อมติดกับแผ่นรองพื้นอะลูมิเนียมด้วยวัสดุที่นำความร้อน โครงสร้างที่พบได้บ่อยที่สุดประกอบด้วยชั้นย่อย 2 หรือ 4 ชั้นที่ทำจาก FR-4 แบบดั้งเดิม ซึ่งจะถูกเชื่อมติดกับฐานอะลูมิเนียมด้วยฉนวนนำความร้อน วิธีนี้ช่วยในการระบายความร้อน เพิ่มความแข็งแรง และทำหน้าที่เป็นฉนวนป้องกัน ประโยชน์อื่นๆ ได้แก่:

• • ต้นทุนต่ำกว่าการก่อสร้างด้วยวัสดุกันความร้อนทั้งหมด
  • ประสิทธิภาพความร้อนที่ดีกว่าผลิตภัณฑ์ FR-4 มาตรฐาน
  • การกำจัดแผงระบายความร้อนราคาแพงและขั้นตอนการประกอบที่เกี่ยวข้อง
  • เหมาะสำหรับการใช้งาน RF ที่ต้องการชั้นผิว PTFE สำหรับลักษณะการสูญเสีย RF
  • การใช้หน้าต่างส่วนประกอบในอลูมิเนียมเพื่อรองรับส่วนประกอบที่มีรูทะลุ ช่วยให้ขั้วต่อและสายเคเบิลผ่านบอร์ดได้ในขณะที่บัดกรีมุมโค้งมนเพื่อสร้างซีล โดยไม่จำเป็นต้องใช้แหวนรองพิเศษหรืออะแดปเตอร์ราคาแพงอื่นๆ

3. แผ่นรองพื้นอะลูมิเนียมหลายชั้น : ในตลาดแหล่งจ่ายไฟประสิทธิภาพสูง แผ่น PCB แบบ IMS หลายชั้นทำจากวัสดุฉนวนความร้อนหลายชั้น โครงสร้างเหล่านี้มีวงจรหนึ่งชั้นหรือมากกว่านั้นฝังอยู่ในฉนวน โดยใช้ vias แบบปิดเป็น vias ระบายความร้อนหรือเส้นทางสัญญาณ ในขณะที่การออกแบบแบบชั้นเดียวมีราคาแพงกว่าและมีประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนน้อยกว่า แต่ก็เป็นโซลูชันการระบายความร้อนที่ง่ายและมีประสิทธิภาพสำหรับงานออกแบบที่ซับซ้อนกว่า

4. แผ่นอลูมิเนียมแบบมีรูทะลุ : ในโครงสร้างที่ซับซ้อนที่สุด ชั้นอลูมิเนียมสามารถเป็น "แกนกลาง" ของโครงสร้างระบายความร้อนแบบหลายชั้นได้ ก่อนการเคลือบ อลูมิเนียมจะถูกชุบและเติมด้วยฉนวนก่อน วัสดุระบายความร้อนหรือส่วนประกอบย่อยสามารถเคลือบลงบนทั้งสองด้านของอลูมิเนียมโดยใช้ชั้นกาวระบายความร้อน เมื่อเคลือบแล้ว ชิ้นส่วนที่เสร็จสมบูรณ์จะคล้ายกับแผ่นอลูมิเนียมแบบหลายชั้นทั่วไปที่เจาะรูทะลุผ่านอลูมิเนียม รูทะลุที่ชุบแล้วจะผ่านช่องว่างในอลูมิเนียมเพื่อรักษาฉนวนไฟฟ้า หรืออีกทางเลือกหนึ่ง แกนทองแดงสามารถช่วยให้เชื่อมต่อไฟฟ้าโดยตรงได้เช่นเดียวกับรูทะลุที่มีฉนวนหุ้ม

ข้อดีของแผ่นอลูมิเนียม PCB

นอกเหนือจากประสิทธิภาพการกระจายความร้อนที่ยอดเยี่ยมแล้ว PCB พื้นผิวอลูมิเนียมยังมีข้อดีดังต่อไปนี้:

• สอดคล้องกับข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม RoHS
• เหมาะสำหรับกระบวนการ SMT มากกว่า
• ความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้น
• การจัดการการแพร่กระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพในการออกแบบวงจร ลดอุณหภูมิการทำงานของโมดูล ขยายอายุการใช้งาน เพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน และปรับปรุงความน่าเชื่อถือ
• การลดจำนวนในการประกอบแผงระบายความร้อนและฮาร์ดแวร์อื่นๆ (รวมถึงวัสดุอินเทอร์เฟซทางความร้อน) การลดขนาดผลิตภัณฑ์ การลดต้นทุนด้านฮาร์ดแวร์และการประกอบ และการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้วงจรไฟฟ้าและวงจรควบคุมร่วมกัน
• ทดแทนพื้นผิวเซรามิกที่เปราะบาง เพื่อความทนทานเชิงกลที่ดีขึ้น

เมื่อเทียบกับบอร์ด FR-4 ทั่วไปแล้ว PCB ที่ใช้แผ่นอะลูมิเนียมมีข้อได้เปรียบที่สำคัญตรงที่สามารถรับกระแสไฟฟ้าได้สูงกว่า เช่นเดียวกับ FR-4 ชั้นวงจรใช้แผ่นทองแดงเป็นตัวนำในการเชื่อมต่อ เมื่อเทียบกับ FR-4 แบบดั้งเดิมซึ่งมีความหนาและความกว้างของเส้นเท่ากัน PCB ที่ใช้แผ่นอะลูมิเนียมสามารถรับกระแสไฟฟ้าได้สูงกว่า

เทคโนโลยีหลักของ PCB แผ่นอลูมิเนียมอยู่ที่วัสดุชั้นฉนวนกลาง ซึ่งทำหน้าที่หลักในการยึดติด ฉนวน และการนำความร้อน ชั้นฉนวนของ PCB แผ่นอลูมิเนียมเป็นฉนวนกันความร้อนที่ใหญ่ที่สุดในโครงสร้างของโมดูลพลังงาน ยิ่งชั้นฉนวนมีการนำความร้อนได้ดีเท่าไร ความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงานของอุปกรณ์ก็จะยิ่งแพร่กระจายได้ดีเท่านั้น ซึ่งจะช่วยลดอุณหภูมิการทำงานของอุปกรณ์ ทำให้โมดูลรับพลังงานได้มากขึ้น ลดขนาด ยืดอายุการใช้งาน และเพิ่มกำลังไฟฟ้าออกได้ แม้ว่าจะตรงตามข้อกำหนดเรื่องการนำความร้อนที่ดี แต่ควรมีความสามารถในการเป็นฉนวนไฟฟ้าแรงสูงด้วย

ความแตกต่างระหว่างฐานอลูมิเนียมและแผ่น FR-4

การกระจายความร้อน

ความแตกต่างที่ใหญ่ที่สุดระหว่างแผ่นลามิเนตเคลือบทองแดง (CCL) ที่ทำจากอลูมิเนียมและแผ่น CCL FR-4 ทั่วไปอยู่ที่คุณสมบัติในการระบายความร้อน ตัวอย่างเช่น เมื่อเปรียบเทียบกับแผ่น CCL FR-1.5 ที่มีความหนา 4 มม. แผ่น CCL ที่ทำจากอลูมิเนียมจะมีความต้านทานความร้อนได้ 20-22 องศาเซลเซียส ส่วนแผ่น CCL ที่ทำจากอลูมิเนียมจะมีความต้านทานความร้อนได้ 1.0-2.0 องศาเซลเซียส ซึ่งต่ำกว่าอย่างเห็นได้ชัด

สัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อน

โดยทั่วไปแล้ว แผงวงจร FR-4 จะประสบปัญหาการขยายตัวเนื่องจากความร้อน ซึ่งอุณหภูมิสูงอาจทำให้ความหนาและความเรียบเปลี่ยนแปลง โดยเฉพาะในทิศทางของความหนา ซึ่งส่งผลกระทบต่อคุณภาพของรูและวงจรที่ชุบโลหะ สาเหตุหลักมาจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนที่แตกต่างกันในทิศทางของความหนาของวัสดุ โดยทองแดงมีค่าสัมประสิทธิ์ 17×10^-6 ซม./ซม.℃ ในขณะที่วัสดุฐานแผงวงจร FR-4 มีค่าสัมประสิทธิ์ 110×10^-6 ซม./ซม.℃ ซึ่งอาจนำไปสู่ผลกระทบจากการขยายตัวเนื่องจากความร้อนได้ง่าย ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของแผงวงจรที่ใช้ฐานอะลูมิเนียมคือ 50×10^-6 ซม./ซม.℃ ซึ่งน้อยกว่าแผงวงจร FR-4 ทั่วไป และใกล้เคียงกับแผ่นทองแดงมากกว่า ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ถึงคุณภาพและความน่าเชื่อถือของแผงวงจรพิมพ์

การใช้งานหลัก

บอร์ด FR-4 เหมาะสำหรับการออกแบบวงจรทั่วไปและผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป บอร์ดที่ทำจากอลูมิเนียมเหมาะสำหรับวงจรที่มีข้อกำหนดพิเศษ เช่น วงจรรวมไฮบริดฟิล์มหนา การกระจายความร้อนสำหรับวงจรไฟฟ้า การระบายความร้อนของส่วนประกอบในวงจร วัสดุรองรับขนาดใหญ่ที่วัสดุรองรับเซรามิกไม่สามารถรองรับได้ และวงจรที่แผ่นระบายความร้อนทั่วไปไม่สามารถแก้ไขปัญหาความน่าเชื่อถือได้

การแปรรูป

แผ่นอะลูมิเนียมมีความแข็งแรงเชิงกลและความเหนียวสูง ซึ่งเหนือกว่าแผ่น FR-4 ดังนั้น จึงสามารถผลิตแผ่นพิมพ์พื้นที่ขนาดใหญ่บนแผ่นอะลูมิเนียมได้ และสามารถติดตั้งชิ้นส่วนที่มีน้ำหนักมากบนพื้นผิวดังกล่าวได้

ประสิทธิภาพไฟฟ้า

เมื่อเปรียบเทียบกับแผ่น FR-4 แผ่นอะลูมิเนียมจะมีความสามารถในการนำความร้อนสูงกว่า ทำให้ความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้าของตัวนำเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งบ่งชี้ถึงความสามารถในการนำความร้อนที่สูงของแผ่นอะลูมิเนียม การกระจายความร้อนของแผ่นอะลูมิเนียมนั้นสัมพันธ์กับความหนาของชั้นฉนวนและความสามารถในการนำความร้อน ชั้นฉนวนที่บางกว่าส่งผลให้แผ่นอะลูมิเนียมมีความสามารถในการนำความร้อนที่สูงขึ้น (แต่มีประสิทธิภาพในการทนต่อแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า) เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ส่วนประกอบบางส่วนในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์จำเป็นต้องป้องกันการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและการรบกวน แผ่นอะลูมิเนียมสามารถทำหน้าที่เป็นแผ่นป้องกันเพื่อป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้

ประสิทธิภาพของฉนวน

ภายใต้เงื่อนไขทั่วไป แรงดันไฟฟ้าพังทลายของแผ่นอลูมิเนียมจะถูกกำหนดโดยความหนาของชั้นฉนวน โดยแรงดันไฟฟ้าพังทลายโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 500V หากคุณต้องการทดสอบแรงดันไฟฟ้าพังทลายของแผ่นอลูมิเนียมฟลูออเรสเซนต์ของหลอดไฟ LED คุณเพียงแค่ต้องทำการทดสอบแรงดันไฟฟ้าสูงที่ตัวเรือนพอร์ตอินพุต ค่าการรับรอง UL และ CE ควรอยู่ที่ 2500V และการรับรอง 3C ควรอยู่ที่ประมาณ 3750V