Розуміння алюмінієвої підкладки PCB: типи та переваги

Друковані плати (ДПК) є важливими компонентами майже всіх електронних пристроїв. Щоб краще зрозуміти друковані плати, у цьому посібнику буде представлено типи алюмінієвих підкладок для друкованих плат та поширені перешкоди під час копіювання друкованих плат. Якщо вас цікавлять друковані плати або зміст цієї статті, продовжуйте читати.

Що виділяє друковані плати на алюмінієвій підкладці?

Раніше ми обговорювали плюси і мінуси керамічних друкованих плат, зазначивши, що одним із недоліків є їх висока вартість і крихкість. Стандартні друковані плати зі скловолокна не мають хорошого розсіювання тепла, тоді як керамічні друковані плати є стабільними та стійкими до деформації в середовищі з високою температурою та високою вологістю, але вони дорогі та використовуються в основному в продуктах високого класу. Якщо ваш продукт не високого класу, наприклад великої площі, високої потужності Світлодіодні світлові табло які вимагають хорошого розсіювання тепла, але є економічно ефективними, чи є матеріал, який відповідає вимогам?

Відповідь – так, і саме тут на допомогу приходять друковані плати на алюмінієвій підкладці. Алюміній, будучи металом із провідністю, може здатися дивним вибором для Матеріал друкованої плати, але друковані плати на алюмінієвій підкладці складаються з трьох шарів: мідної фольги, ізоляційного шару та металевого алюмінієвого шару. Оскільки є ізоляційний шар, чи можна використовувати інші матеріали, крім алюмінію, для металевого шару? Такі матеріали, як мідь, нержавіюча сталь, залізо, кремнієва сталь тощо? При виборі металевої підкладки слід враховувати такі фактори, як коефіцієнт теплового розширення, теплопровідність, міцність, твердість, вага, стан поверхні та вартість.

Загалом, з огляду на вартість і технічні характеристики, алюміній є ідеальним вибором. Загальні варіанти для алюмінієвих панелей включають 6061, 5052, 1060 тощо. Якщо є вищі вимоги до теплопровідності, механічних характеристик, електричних характеристик та інших спеціальних властивостей, також можна використовувати мідь, нержавіючу сталь, залізо та кремнієву сталь.

Зазвичай у світлодіодних освітлювальних приладах друковані плати на алюмінієвій підкладці мають дві сторони: одна біла сторона для спаювання світлодіодних контактів, а інша сторона має натуральний алюмінієвий колір, зазвичай покритий термопастою для контакту з теплопровідною частиною. Вони в основному використовуються в світлодіодних світильниках, аудіообладнанні, енергетичному обладнанні тощо, головною перевагою яких є швидка теплопровідність і чудова тепловіддача.

У порівнянні з традиційним FR-4, друковані плати на алюмінієвій підкладці можуть мінімізувати термічний опір, забезпечуючи чудову теплопровідність; порівняно з керамічними підкладками вони мають відмінні механічні властивості.

 Типи алюмінієвих підкладок PCB

1. Гнучкі алюмінієві підкладки: Однією з останніх розробок у матеріалах IMS є гнучкі діелектрики. Ці матеріали пропонують відмінну електроізоляцію, гнучкість і теплопровідність. При нанесенні на такі матеріали, як 5754 або подібний гнучкий алюміній, їм можна надавати різні форми та кути, усуваючи потребу в дорогих пристосуваннях, кабелях і з’єднувачах. Незважаючи на те, що ці матеріали є гнучкими, вони розроблені таким чином, щоб згинатися на місці та залишатися на місці.

2. Гібридні алюмінієві підкладки: У «гібридній» структурі IMS нетеплові речовини обробляються незалежно, а потім з’єднуються з алюмінієвою підкладкою за допомогою термічного матеріалу. Найпоширеніша структура складається з 2 або 4 шарів субкомпонентів, виготовлених із традиційного FR-4, які потім прикріплюються до алюмінієвої основи за допомогою теплопровідного діелектрика. Це може сприяти розсіюванню тепла, покращити жорсткість і діяти як екран. Серед інших переваг:

• • Нижча вартість, ніж виготовлення всіх теплових матеріалів.
  • Кращі теплові характеристики, ніж стандартні продукти FR-4.
  • Усунення дорогих радіаторів і відповідних етапів складання.
  • Підходить для радіочастотних додатків, які потребують поверхневих шарів PTFE для характеристик радіочастотних втрат.
  • Використання вікон компонентів з алюмінію для розміщення компонентів із наскрізними отворами, що дозволяє роз’ємам і кабелям проходити крізь плату, припаюючи круглі кути для створення герметичності, без необхідності використання спеціальних шайб чи інших дорогих адаптерів.

3. Багатошарові алюмінієві підкладки: На ринку високопродуктивних джерел живлення багатошарові друковані плати IMS виготовляються з кількох шарів термодіелектрика. Ці структури мають один або кілька шарів ланцюгів, вбудованих у діелектрик, із сліпими переходами, які використовуються як теплові отвори або сигнальні шляхи. Хоча одношарові конструкції дорожчі та менш ефективні при передачі тепла, вони забезпечують просте та ефективне рішення для розсіювання тепла для складніших конструкцій.

4. Наскрізні алюмінієві підкладки: У найскладніших конструкціях шар алюмінію може утворювати «ядро» багатошарових теплових структур. Перед ламінуванням алюміній попередньо покривають і заповнюють діелектриком. Термоматеріали або субкомпоненти можуть бути ламіновані на обидві сторони алюмінію за допомогою термоклейкого шару. Після ламінування готовий компонент схожий на традиційну багатошарову алюмінієву підкладку, просвердлену крізь алюміній. Покриті наскрізні отвори проходять через щілини в алюмінії для підтримки електричної ізоляції. Крім того, мідні жили можуть забезпечувати прямі електричні з’єднання, а також ізольовані наскрізні отвори.

Переваги алюмінієвих підкладок PCB

На додаток до відмінної тепловіддачі, друкована плата з алюмінієвої підкладки має наступні переваги:

• Відповідність екологічним вимогам RoHS.
• Більш підходить для процесу SMT.
• Вища пропускна здатність по струму.
• Ефективне керування дифузією тепла в схемотехніці, зниження робочої температури модуля, подовження терміну служби, збільшення щільності потужності та підвищення надійності.
• Зменшення складання радіаторів та іншого обладнання (включаючи матеріали термоінтерфейсу), зменшення розміру виробу, зниження витрат на обладнання та складання та оптимізація поєднання ланцюгів живлення та ланцюгів керування.
• Заміна тендітних керамічних підкладок для кращої механічної міцності.

У порівнянні зі звичайними платами FR-4 друкована плата з алюмінієвою підкладкою має велику перевагу в тому, що вона може пропускати більший струм. Як і FR-4, шари схеми використовують мідну фольгу як провідники для з’єднання. У порівнянні з традиційним FR-4, з такою ж товщиною та шириною лінії, алюмінієва підкладка PCB може переносити більший струм.

Основна технологія друкованої плати алюмінієвої підкладки полягає в матеріалі проміжного ізоляційного шару, який в основному виконує функції склеювання, ізоляції та теплопровідності. Ізоляційний шар алюмінієвої підкладки PCB є найбільшим тепловим бар’єром у структурі силових модулів. Чим краще теплопровідність ізоляційного шару, тим більше він сприяє дифузії тепла, що виділяється під час роботи пристрою, що, в свою чергу, сприяє зниженню робочої температури пристрою, досягненню більшого потужного навантаження модуля, зменшенню розмірів, продовження терміну експлуатації та підвищення потужності. Задовольняючи вимоги хорошої теплопровідності, він також повинен мати ізоляційні властивості під високою напругою.

Відмінності між алюмінієвою основою та платою FR-4

Розсіювання тепла

Найбільша різниця між мідним ламінатом на основі алюмінію (CCL) і звичайним FR-4 CCL полягає в їхніх властивостях розсіювання тепла. Наприклад, порівняно з CCL FR-1.5 товщиною 4 мм, термічний опір CCL на основі алюмінію становить 20-22 ℃ для першого та 1.0-2.0 ℃ для останнього, що є значно нижчим.

Коефіцієнт теплового розширення

Як правило, плати FR-4 страждають від проблем теплового розширення, коли високі температури можуть спричинити зміни товщини та площинності, особливо в напрямку товщини, впливаючи на якість металевих отворів і схем. В основному це пов’язано з різними коефіцієнтами теплового розширення в напрямку товщини матеріалу: мідь має коефіцієнт 17×10^-6 см/см℃, тоді як основний матеріал плити FR-4 становить 110×10^-6 см/см. ℃, що може легко призвести до ефекту теплового розширення. Коефіцієнт теплового розширення плит на основі алюмінію становить 50×10^-6 см/см℃, що менше, ніж у звичайних плит FR-4, і ближче до коефіцієнта мідної фольги. Це допомагає забезпечити якість і надійність друкованих плат.

Основні програми

Плати FR-4 підходять для проектування загальної схеми та звичайних електронних виробів. Алюмінієві плати підходять для схем зі спеціальними вимогами, наприклад, гібридних інтегральних схем з товстою плівкою, розсіювання тепла для ланцюгів живлення, охолодження компонентів у схемах, великомасштабних підкладок, з якими не можуть працювати керамічні підкладки, і схем, де звичайні радіатори не можуть вирішити проблеми з надійністю.

Оброблюваність

Плити на основі алюмінію мають високу механічну міцність і міцність, що перевершує плити FR-4. Таким чином, друковані плати великої площі можна виготовляти на алюмінієвих панелях, а важкі компоненти можна встановлювати на таких підкладках.

Електричні показники

Порівняно з платами FR-4, плати на основі алюмінію мають вищу теплопровідність, що призводить до значного збільшення струмопровідної здатності провідників. Це свідчить про високу теплопровідність плит на основі алюмінію. Тепловіддача плит на основі алюмінію пов'язана з товщиною їх ізоляційного шару і теплопровідністю. Більш тонкі ізоляційні шари призводять до вищої теплопровідності плит на основі алюмінію (але нижчих характеристик витримуваної напруги). Щоб забезпечити ефективну роботу електронних схем, деякі компоненти в електронних продуктах повинні запобігати електромагнітному випромінюванню та перешкодам. Плити на основі алюмінію можуть діяти як екрануючі пластини для захисту від електромагнітних хвиль.

Виконання ізоляції

За загальних умов напруга пробою алюмінієвих плит визначається товщиною шару ізоляції, із напругою пробою зазвичай близько 500 В. Якщо вам потрібно перевірити напругу пробою світлодіодної люмінесцентної лампи на алюмінієвій основі, вам просто потрібно виконати тест високою напругою на корпусі вхідного порту. Значення сертифікації UL і CE мають становити 2500 В, а сертифікація 3C має бути близько 3750 В.