Alüminyum Substrat PCB'yi Anlamak: Türleri ve Avantajları

Baskılı devre kartları (PCB'ler), neredeyse tüm elektronik cihazlarda temel bileşenlerdir. PCB'ler hakkındaki anlayışınızı geliştirmek için bu kılavuz, PCB alüminyum alt tabaka türlerini ve PCB kopyalamada karşılaşılan yaygın engelleri tanıtacaktır. PCB'ler veya bu makalenin içeriğiyle ilgileniyorsanız, okumaya devam edebilirsiniz.

Alüminyum Substrat PCB'leri Öne Çıkaran Nedir?

Daha önce seramik PCB'lerin avantaj ve dezavantajlarını ele almıştık ve bir dezavantajının yüksek maliyeti ve kırılganlığı olduğunu belirtmiştik. Standart fiberglas PCB'ler iyi ısı dağılımına sahip değilken, seramik PCB'ler yüksek sıcaklık ve yüksek nemli ortamlarda stabildir ve deformasyona karşı dirençlidir, ancak pahalıdır ve çoğunlukla üst düzey ürünlerde kullanılır. Ürününüz üst düzey değilse, örneğin iyi ısı dağılımı gerektiren ancak uygun maliyetli olan geniş alanlı, yüksek güçlü LED ışık panoları gibi , bu gereksinimleri karşılayan bir malzeme var mı?

Cevap evet ve işte burada alüminyum alt tabakalı PCB'ler devreye giriyor. İletkenliğe sahip bir metal olan alüminyum, PCB malzemesi için garip bir seçim gibi görünebilir , ancak alüminyum alt tabakalı PCB'ler üç katmandan oluşur: bakır folyo, yalıtım katmanı ve metal alüminyum katmanı. Yalıtım katmanı olduğuna göre, metal katman için alüminyum dışında başka malzemeler kullanılabilir mi? Bakır, paslanmaz çelik, demir, silikon çelik vb. malzemeler? Metal alt tabaka seçilirken, termal genleşme katsayısı, termal iletkenlik, mukavemet, sertlik, ağırlık, yüzey durumu ve maliyet gibi faktörler dikkate alınmalıdır.

Genel olarak maliyet ve teknik performans göz önüne alındığında alüminyum ideal bir seçimdir. Alüminyum levhalar için yaygın seçenekler arasında 6061, 5052, 1060 vb. bulunur. Isı iletkenliği, mekanik performans, elektriksel performans ve diğer özel özellikler açısından daha yüksek gereksinimler varsa bakır, paslanmaz çelik, demir ve silikon çelik de kullanılabilir.

LED aydınlatma ürünlerinde yaygın olarak kullanılan alüminyum substrat PCB'lerin iki tarafı vardır: bir tarafı LED pinlerini lehimlemek için beyaz, diğer tarafı ise doğal alüminyum rengindedir ve genellikle ısı ileten parçaya temas etmek için termal macunla kaplanmıştır. Esas olarak LED armatürlerde, ses ekipmanlarında, güç ekipmanlarında vb. kullanılırlar; ana avantajı hızlı ısı iletimi ve mükemmel ısı dağıtma performansıdır.

Geleneksel FR-4'e kıyasla , alüminyum alt tabakalı PCB'ler termal direnci en aza indirerek mükemmel ısı iletimi sağlar; seramik alt tabakalara kıyasla ise mükemmel mekanik özelliklere sahiptirler.

 PCB Alüminyum Yüzey Çeşitleri

1. Esnek Alüminyum Alt Tabakalar : IMS malzemelerindeki en son gelişmelerden biri de esnek dielektriklerdir. Bu malzemeler mükemmel elektrik yalıtımı, esneklik ve ısı iletkenliği sunar. 5754 veya benzeri esnek alüminyum gibi malzemelere uygulandığında, çeşitli şekil ve açılar elde etmek için şekillendirilebilirler, böylece pahalı bağlantı elemanlarına, kablolara ve konektörlere olan ihtiyacı ortadan kaldırırlar. Bu malzemeler esnek olmalarına rağmen, yerlerine bükülmek ve konumlarını korumak üzere tasarlanmıştır.

2. Hibrit Alüminyum Alt Tabakalar : "Hibrit" bir IMS yapısında, ısı üretmeyen maddeler bağımsız olarak işlenir ve daha sonra ısı üreten bir malzeme ile alüminyum alt tabakaya bağlanır. En yaygın yapı, geleneksel FR-4'ten yapılmış 2 veya 4 katmanlı alt bileşenlerden oluşur ve bunlar daha sonra ısı iletken bir dielektrik ile alüminyum tabana bağlanır. Bu, ısı dağılımına yardımcı olabilir, sertliği artırabilir ve koruma görevi görebilir. Diğer faydaları şunlardır:

• • Tüm termal malzemeleri inşa etmekten daha düşük maliyet.
  • Standart FR-4 ürünlerinden daha iyi termal performans.
  • Pahalı soğutucuların ve ilgili montaj adımlarının ortadan kaldırılması.
  • RF kaybı özellikleri için PTFE yüzey katmanları gerektiren RF uygulamaları için uygundur.
  • Açık delikli bileşenleri barındırmak için alüminyum bileşen pencerelerinin kullanılması, özel rondelalara veya diğer pahalı adaptörlere ihtiyaç duymadan bir sızdırmazlık oluşturmak için yuvarlak köşeleri lehimlerken konektörlerin ve kabloların karttan geçmesine olanak tanır.

3. Çok Katmanlı Alüminyum Alt Tabakalar : Yüksek performanslı güç kaynağı pazarında, çok katmanlı IMS PCB'ler birden fazla termal dielektrik katmanından üretilir. Bu yapılarda, dielektrik içine gömülü bir veya daha fazla devre katmanı bulunur ve termal geçiş yolları veya sinyal yolları olarak kör geçiş yolları kullanılır. Tek katmanlı tasarımlar daha pahalı ve ısı transferinde daha az verimli olsa da, daha karmaşık tasarımlar için basit ve etkili bir ısı dağıtım çözümü sağlarlar.

4. Delikli Alüminyum Alt Tabakalar : En karmaşık yapılarda, bir alüminyum tabakası çok katmanlı termal yapıların "çekirdeğini" oluşturabilir. Laminasyondan önce, alüminyum önceden kaplanır ve dielektrik ile doldurulur. Termal malzemeler veya alt bileşenler, termal yapıştırıcı bir tabaka kullanılarak alüminyumun her iki tarafına da lamine edilebilir. Lamine edildikten sonra, tamamlanmış bileşen, alüminyumun içinden delinmiş geleneksel çok katmanlı bir alüminyum alt tabakaya benzer. Elektrik yalıtımını korumak için alüminyumdaki boşluklardan geçen kaplamalı delikler bulunur. Alternatif olarak, bakır çekirdekler, yalıtımlı deliklerin yanı sıra doğrudan elektrik bağlantılarına da olanak sağlayabilir.

PCB Alüminyum Yüzeylerin Avantajları

Mükemmel ısı dağıtma performansına ek olarak, alüminyum substrat PCB aşağıdaki avantajlara sahiptir:

• RoHS çevre gerekliliklerine uygunluk.
• SMT işlemine daha uygundur.
• Daha yüksek akım taşıma kapasitesi.
• Devre tasarımında ısı difüzyonunun etkili bir şekilde ele alınması, modül çalışma sıcaklığının azaltılması, hizmet ömrünün uzatılması, güç yoğunluğunun arttırılması ve güvenilirliğin arttırılması.
• Isı alıcıların ve diğer donanımların (termal arayüz malzemeleri dahil) montajında ​​azalma, ürün boyutunun küçültülmesi, donanım ve montaj maliyetlerinin azaltılması ve güç devreleri ile kontrol devrelerinin kombinasyonunun optimize edilmesi.
• Daha iyi mekanik dayanıklılık için kırılgan seramik yüzeylerin değiştirilmesi.

Sıradan FR-4 kartlarla karşılaştırıldığında, alüminyum substrat PCB'nin daha yüksek akım taşıyabilmesi açısından büyük bir avantajı vardır. FR-4 gibi devre katmanları da bağlantı için iletken olarak bakır folyo kullanır. Aynı kalınlık ve çizgi genişliğine sahip geleneksel FR-4 ile karşılaştırıldığında, alüminyum substrat PCB daha yüksek akım taşıyabilir.

Alüminyum substrat PCB'nin çekirdek teknolojisi, esas olarak bağlama, yalıtım ve termal iletim işlevlerine hizmet eden ara yalıtım katmanı malzemesinde yatmaktadır. Alüminyum substrat PCB'nin yalıtım katmanı, güç modüllerinin yapısındaki en büyük termal bariyerdir. Yalıtım katmanının termal iletkenliği ne kadar iyi olursa, cihazın çalışması sırasında üretilen ısının yayılmasına o kadar iletken olur, bu da cihazın çalışma sıcaklığının azaltılmasına, modülün daha yüksek güç yükünün elde edilmesine, boyutun küçültülmesine yardımcı olur, ömrü uzatmak ve güç çıkışını arttırmak. İyi ısı iletkenliği gereksinimini karşılarken aynı zamanda yüksek gerilim yalıtım özelliğine de sahip olmalıdır.

Alüminyum Taban ve FR-4 Pano Arasındaki Farklar

Isı dağılımı

Alüminyum bazlı bakır kaplı laminat (CCL) ile geleneksel FR-4 CCL arasındaki en büyük fark, ısı dağıtma özelliklerinde yatmaktadır. Örneğin, 1.5 mm kalınlığındaki bir FR-4 CCL ile karşılaştırıldığında, alüminyum bazlı bir CCL'nin termal direnci, birincisi için 20-22 °C ve ikincisi için 1.0-2.0 °C olup, bu önemli ölçüde daha düşüktür.

Termal Genleşme katsayısı

Tipik olarak FR-4 kartları, yüksek sıcaklıkların kalınlık ve düzlükte, özellikle de kalınlık yönünde değişikliklere neden olabileceği ve metal kaplamalı deliklerin ve devrelerin kalitesini etkileyebileceği termal genleşme sorunlarından muzdariptir. Bu esas olarak malzeme kalınlığı yönündeki farklı termal genleşme katsayılarından kaynaklanmaktadır: bakırın katsayısı 17×10^-6 cm/cm° iken FR-4 levhanın temel malzemesi 110×10^-6 cm/cm'dir. kolayca termal genleşme etkilerine yol açabilir. Alüminyum bazlı levhaların termal genleşme katsayısı 50×10^-6 cm/cm° olup, genel FR-4 levhalarınkinden daha küçüktür ve bakır folyonunkine daha yakındır. Bu, baskılı devre kartlarının kalitesinin ve güvenilirliğinin sağlanmasına yardımcı olur.

Temel Uygulamalar

FR-4 kartları genel devre tasarımına ve sıradan elektronik ürünlere uygundur. Alüminyum bazlı kartlar, kalın film hibrit entegre devreler, güç devreleri için ısı dağıtımı, devrelerdeki bileşenlerin soğutulması, seramik alt tabakaların kaldıramayacağı büyük ölçekli alt tabakalar ve sıradan soğutucuların çözemediği devreler gibi özel gereksinimleri olan devreler için uygundur. güvenilirlik sorunları.

işlenebilirlik

Alüminyum bazlı levhalar, FR-4 levhalardan üstün olan yüksek mekanik dayanıma ve tokluğa sahiptir. Bu nedenle alüminyum esaslı levhalar üzerine geniş alanlı baskılı levhalar üretilebilir ve bu altlıkların üzerine ağır bileşenler monte edilebilir.

Elektriksel Performans

FR-4 kartlarla karşılaştırıldığında alüminyum bazlı kartlar daha yüksek ısı iletkenliğine sahiptir ve bu da iletkenlerin akım taşıma kapasitesinde önemli bir artışa yol açar. Bu, alüminyum bazlı levhaların yüksek ısı iletkenliğini gösterir. Alüminyum esaslı levhaların ısı yayılımı, yalıtım katmanının kalınlığına ve ısı iletkenliğine bağlıdır. Daha ince yalıtım katmanları, alüminyum bazlı levhaların daha yüksek termal iletkenliğine (ancak daha düşük dayanım voltajı performansına) neden olur. Elektronik devrelerin performansının sağlanabilmesi için elektronik ürünlerdeki bazı bileşenlerin elektromanyetik radyasyon ve paraziti engellemesi gerekmektedir. Alüminyum bazlı levhalar, elektromanyetik dalgaları korumak için koruyucu plakalar görevi görebilir.

Yalıtım performansı

Genel koşullar altında, alüminyum bazlı levhaların arıza voltajı, yalıtım katmanının kalınlığına göre belirlenir ve arıza voltajı genellikle 500V civarındadır. Bir LED floresan lambanın alüminyum bazlı kartının arıza voltajını test etmeniz gerekiyorsa, giriş portu muhafazasında yüksek voltaj testi yapmanız yeterlidir. UL ve CE sertifika değerleri 2500V, 3C sertifikası ise 3750V civarında olmalıdır.