Problém generování tepla se stává stále výraznějším, protože elektronické výrobky se zmenšují a jejich funkce rostou. Otázka tepelného zatížení se stala klíčovou při návrhu desek plošných spojů. Standardní desky FR-4 jsou dostatečné pro většinu běžných použití, ale nefungují dobře v prostředích s vysokými teplotami, jako jsou vysoce výkonné LED diody, napájecí moduly, automobilová elektronika nebo průmyslové řídicí systémy. Technologie hliníkových desek plošných spojů poskytla lepší, robustnější a praktičtější možnost pro tyto náročné aplikace.
Jednoduše řečeno, hliníková deska plošných spojů (PCB) je druh desky s kovovým jádrem; její charakteristikou je, že velmi rychle odvádí teplo. Její struktura se obvykle skládá z měděné vrstvy obvodu, tepelně vodivé dielektrické vrstvy a hliníkové základny. Teplo se může rychle přenášet z komponent na hliníkovou vrstvu a později se rozprostírat, což nejen zlepšuje odvod tepla, ale také posiluje pevnost desky a prodlužuje životnost produktu.
Pokud dnes inženýři potřebují lepší tepelný výkon, ale nechtějí utrácet za příliš drahá řešení, obvykle nejprve volí hliníkové jádro pro desky plošných spojů. Hliník nabízí relativně vyvážený kompromis mezi odvodem tepla, hmotností, zpracovatelností a cenou, zatímco jiné kovové substráty tento požadavek splnit nemohou. Proto se široce používá ve vysoce výkonných zařízeních, jako jsou LED, napájecí zdroje, řízení motorů a automobilová elektronika.
Tento článek vás provede kompletním pochopením hliníkových desek plošných spojů od samého začátku, včetně jejich typů, struktury, rozdílů od běžných desek plošných spojů, a také výběru materiálu a pravidel návrhu. Bude také obsahovat výrobní proces, běžné problémy se zpracováním a metody testování kvality, kterým je třeba věnovat pozornost.
Co je hliníková deska plošných spojů?
Hliníková deska plošných spojů (PCB) je typ desky plošných spojů, kde je „substrátový materiál“ nahrazen kovem. Ve většině případů je tento substrát vyroben z materiálu na bázi hliníku (hliníkový substrát), který nejen poskytuje strukturální oporu, ale také pomáhá rychle odvádět teplo. Díky tomu může teplo generované součástkami procházet z měděné vrstvy obvodu, skrz dielektrickou vrstvu a rychle dosáhnout hliníkové základny a rozprostřít se.
Tento typ desky má mnoho dalších názvů, například deska s plošnými spoji s hliníkovým jádrem, izolovaná kovová deska s plošnými spoji, MCPCB nebo kovová deska s plošnými spoji. Ačkoli se názvy liší, podstata je stejná: nahradit původní nekovový základ kovovou vrstvou s lepší tepelnou vodivostí.
Struktura typické desky plošných spojů s kovovým jádrem je ve skutečnosti poměrně jednoduchá. Skládá se ze tří vrstev:
• COpper Cdrážka Lvčera
• Thermálně Cvodivý Dielektrický Iizolace Lvčera
• Ahliník Base Lvčera
V situacích, kdy je citlivost na teplotu faktorem, může použití hliníkových desek plošných spojů výrazně zvýšit výkon a spolehlivost.
Typy hliníkových desek plošných spojů
Hliníkové desky plošných spojů se dodávají v různých typech a každý typ je vhodný pro jiné konstrukční požadavky.
Jednostranná hliníková deska plošných spojů
Toto je nejběžnější a nejjednodušší typ hliníkové desky plošných spojů. Všechny součástky jsou umístěny na jedné straně a obvod má pouze jednu měděnou vrstvu. Tento typ desky se běžně používá v produktech, jako jsou LED světla a napájecí zdroje, které jsou citlivé na cenu, ale mají také určité tepelné požadavky.
Dvouvrstvá hliníková deska plošných spojů
Dvouvrstvá hliníková deska plošných spojů má dvě měděné vrstvy, takže se na ni snadněji vedou vodiče a nabízí větší konstrukční prostor. Je vhodná pro produkty s mírně složitějšími obvody a zároveň vyžaduje dobrý odvod tepla.
Vícevrstvá hliníková deska plošných spojů
Vícevrstvé konstrukce se obtížněji vyrábějí a mají vyšší požadavky na zpracování ve srovnání s běžnými vícevrstvými deskami FR-4. Obvykle se používají pouze tehdy, když je obvod velmi složitý, je potřeba více zapojení nebo je vyžadována funkční integrace.
V praktických projektech nejsou vícevrstvé kovové desky plošných spojů kvůli vysoké výrobní obtížnosti a nákladům příliš běžné.
Oboustranná hliníková deska plošných spojů
Pokud jednostranná konstrukce nedokáže obvod osadit, inženýři zvažují použití oboustranného provedení. Tento typ desky je však složitější na výrobu, zejména z hlediska izolace a ošetření otvorů, což vyžaduje vyšší standardy.
Hybridní hliníková deska plošných spojů
Hybridní struktura zahrnuje kombinaci vrstev FR-4 s hliníkovou základnou. Tato konstrukce nejen usnadňuje implementaci složitých obvodů, ale také zajišťuje vynikající tepelný výkon. Tuto hybridní desku je vhodné použít tam, kde produkt vyžaduje jak složité zapojení, tak dobrý odvod tepla.
Hliníková deska plošných spojů s vysokou tepelnou vodivostí
Tento typ používá dielektrické materiály s lepší tepelnou vodivostí, speciálně navržené pro zlepšení odvodu tepla. Obvykle se používá ve vysoce výkonných LED diodách, průmyslových výkonových modulech a v prostředích s vysokými tepelnými nároky.
Vysokofrekvenční hliníková deska plošných spojů
V radiofrekvenčních a komunikačních systémech někteří výrobci volí dielektrické materiály s nízkými ztrátami a kombinují je s hliníkovými základnami. Tyto desky plošných spojů mohou nejen zajistit výkon signálu, ale také dosáhnout účinné tepelné regulace.
Flexibilní hliníková deska plošných spojů
Jedná se o poměrně speciální řešení, které kombinuje flexibilní materiály s tepelnou strukturou podobnou hliníku. Toto provedení není běžné a obvykle vyžaduje vyšší náklady.
Struktura hliníkové desky plošných spojů
Struktura hliníkové desky plošných spojů není složitá, ale každá vrstva má svou vlastní funkci a bez kterékoli z nich se celý proces neobejde.
1. Vrstva měděného obvodu
Toto je nejvyšší vodivá vrstva, která se používá pro vodiče, kontaktní plošky a spoje součástek. V závislosti na aplikaci se tloušťka mědi obvykle pohybuje od 1 g do 3 g nebo i více. Čím je měď silnější, tím větší proud zvládne a tím lépe rozvádí teplo.
2. Dielektrická vrstva
Dielektrická vrstva je jednou z nejdůležitějších vrstev v hliníkové desce plošných spojů. Na jedné straně odděluje měděnou vrstvu od hliníkové základny, aby zajistila elektrickou izolaci, na druhé straně musí umožňovat plynulý průchod tepla. Tepelná vodivost, tloušťka a průrazná pevnost dielektrické vrstvy přímo ovlivňují výkon celé desky.
3. Hliníková základní vrstva
Základní hliníková vrstva je zodpovědná především za odvod tepla a poskytuje oporu pro desku plošných spojů. Dokáže rychle odvádět teplo generované součástkami a udržovat rozměrovou stabilitu desky. Lze zvolit různé jakosti hliníkových slitin, například 5052, 6061 nebo 1060, v závislosti na různých požadavcích na cenu a výkon.
4. Ochranný film nebo povrchová vrstva
U některých provedení je přidána další ochranná fólie, která pokrývá hliníkový povrch a zabraňuje poškrábání, korozi nebo poškození způsobenému nehodami.
Právě tato jednoduchá, ale efektivní struktura dělá desky plošných spojů s kovovým jádrem skvělými pro praktické využití v napájecích zdrojích a aplikacích pro řízení teploty.
Výhody a nevýhody hliníkových desek plošných spojů
Výhody
Největší výhodou hliníkových desek plošných spojů je jejich vynikající odvod tepla. Ve srovnání s běžným FR-4 dokáže odvádět teplo od součástek rychleji, čímž snižuje teplotu spoje, zvyšuje spolehlivost a prodlužuje životnost produktu.
Další zřejmou výhodou je mechanická pevnost. Hliníkový substrát je tvrdší a robustnější a odolnější než mnoho tradičních materiálů pro desky plošných spojů. Je obzvláště vhodný pro použití v průmyslových a automobilových produktech, které jsou vystaveny vibracím nebo mechanickým rázům.
Co se týče hmotnosti, hliník má také své výhody. Je lehčí než měď a mnoho konstrukčních kovů, takže si zachovává pevnost bez výrazného zvýšení hmotnosti.
Navíc je také šetrný k životnímu prostředí, protože hliník je recyklovatelný.
Nevýhody
Přestože technologie hliníkových desek plošných spojů má mnoho silných stránek, ne všechny produkty jsou pro ni vhodné. Ve srovnání s běžnými deskami plošných spojů FR-4 je obvykle dražší, zejména u některých produktů s nízkou spotřebou energie. Pokud nejsou požadavky na tepelné výhody vysoké, nemusí být cenově výhodnou volbou.
Existuje také omezení, pokud jde o flexibilitu směrování. Pokud je obvod velmi složitý a vyžaduje vícevrstvé směrování, pak by bylo vhodnější použít vícevrstvé plošné spoje FR-4.
Kromě toho má vyšší požadavky na zpracování a montáž. Procesy, jako je vrtání, pájení a povrchová úprava, je třeba přísněji kontrolovat. Proto je nezbytné najít zkušeného výrobce hliníkových desek plošných spojů.
O PCBasicu
Čas jsou ve vašich projektech peníze – a PCBasic chápe PCBasic je Firma pro montáž desek plošných spojů který pokaždé přináší rychlé a bezchybné výsledky. Náš komplexní Montážní služby PCB zahrnují odbornou technickou podporu v každém kroku, což zajišťuje špičkovou kvalitu každé desky. Jako přední Výrobce sestav plošných spojů, Nabízíme komplexní řešení, které zefektivní váš dodavatelský řetězec. Spolupracujte s naší pokročilou Továrna na prototypy plošných spojů pro rychlé vyřízení a vynikající výsledky, na které se můžete spolehnout.
Hliníková deska plošných spojů vs. běžná deska plošných spojů
Ve srovnání s běžnými deskami plošných spojů FR-4 (FR-4 PCB) mají hliníkové desky plošných spojů lepší tepelnou vodivost a jsou odolnější. FR-4 je vhodnější pro běžné elektronické výrobky, digitální obvody a vícevrstvé konstrukce, kde teplo není primárním problémem. Navíc se snáze zpracovává a má nižší cenu.
Pokud však výrobek generuje velké množství tepla, FR-4 obvykle vyžaduje přidání tepelných prostupů, externích chladičů nebo i složitějších struktur. I tak nemusí být výsledek odvodu tepla uspokojivý.
Hliníkové jádro desky plošných spojů bylo původně navrženo pro odvod tepla. Rozvod tepla je přímo začleněn do struktury desky plošných spojů, čímž se eliminuje potřeba dalších konstrukcí pro odvod tepla a celková struktura zařízení je jednodušší.
Pro nízkopříkonové, vysokohustotní nebo vícevrstvé signálové aplikace, které vyžadují složité vícevrstvé zapojení, jsou však stále vhodnější běžné desky plošných spojů. Nakonec, zda zvolit desky plošných spojů z FR-4 nebo kovové, závisí na tepelných požadavcích a elektrických specifikacích samotného produktu.
Průvodce výběrem materiálu na Výroba hliníkových desek plošných spojů
Při výrobě hliníkových desek plošných spojů je výběr materiálu naprosto zásadní. Přímo ovlivňuje účinnost přenosu tepla, mechanickou spolehlivost desky, elektrické izolační vlastnosti a celkové náklady.
Výběr hliníkové základny
Mezi běžné hliníkové slitiny patří 5052, 6061 a 1060. Obecně řečeno, 6061 má lepší mechanické vlastnosti, ale někdy se volí jiné typy na základě jejich ceny nebo dostupnosti.
Kromě toho je klíčová také tloušťka hliníkového substrátu. Čím silnější je substrát, tím pevnější je konstrukční opora a tím je také příznivější pro šíření tepla.
Výběr dielektrického materiálu
Dielektrická vrstva musí vyvažovat tepelnou vodivost a elektrickou izolaci. Mezi běžně používané materiály patří epoxidová pryskyřice, prepreg ze skleněných vláken, polyimid a materiály na bázi polyolefinů. Pro aplikace s vysokým výkonem obvykle dáváme přednost dielektrickým materiálům s lepší tepelnou vodivostí.
Výběr dielektrické tloušťky
Tenčí dielektrická vrstva může snížit tepelný odpor a zlepšit přenos tepla. Pokud je však příliš tenká, sníží se elektrická bezpečnostní rezerva a požadavky na výrobní toleranci budou vyšší.
Výběr měděné fólie
Tloušťka mědi by měla být zvolena podle skutečného proudového zatížení a požadavků na tepelné rozložení. Pro obvody s nízkým výkonem obvykle postačuje 1 g. Pokud je proud relativně vysoký, obvykle se volí 2 nebo 3 g.
Výběr povrchové úpravy
Mezi běžné povrchové úpravy patří HASL, ENIG a OSP. Volba té, kterou použijete, závisí na faktorech, jako je pájitelnost, rovinnost, odolnost proti korozi a váš rozpočet.
Kvalita výběru materiálu může navíc skutečně odhalit úroveň výrobce hliníkových desek plošných spojů. Pokud nejsou materiály dobře vybrány, ani ten nejlepší návrh a proces nemůže zaručit úspěch výroby desky.
Pokyny pro návrh hliníkových desek plošných spojů
Při navrhování hliníkové desky plošných spojů je třeba v první řadě zvážit tepelnou analýzu, spíše než se zaměřit pouze na to, jak jsou obvody zapojeny.
Prvním krokem je výpočet ztrátového výkonu součástek, okolní teploty prostředí, kde se deska používá, a povoleného nárůstu teploty. Tyto faktory přímo určí cílový tepelný odpor desky.
Za druhé, tepelná dráha by měla být co nejkratší. Vysoce výkonné součástky by měly být namontovány v poloze, kde teplo může přímo procházet dielektrickou vrstvou k hliníkové základně.
Za třetí, klíčové je rozložení mědi. Rozšíření vodičů, vhodné nanesení měděných povlaků a přidání kompletních tepelných podložek – to vše efektivně pomáhá rozkládat proud a teplo.
Za čtvrté, montážní řešení by mělo být také předem zváženo. Pokud má být deska instalována na chladič nebo na šasi, je třeba již ve fázi návrhu naplánovat prvky, jako jsou šrouby, tepelné podložky, izolační fólie a lepicí zóny.
Za páté, je třeba správně zvolit tloušťku dielektrika a vodivost materiálu. Pokud je dielektrický materiál vybrán nevhodně, obvod může být sice dobře proveden, ale může být problém s odvodem tepla.
Nakonec se doporučuje provést tepelnou simulaci a validaci prototypu. I když se návrh zdá být v pořádku, je nutné jej potvrdit skutečným tepelným měřením, aby byla zaručena jeho spolehlivost.
Jak vyrobit hliníkovou desku plošných spojů?
Výrobní proces hliníkových desek plošných spojů má určité podobnosti s výrobním procesem běžných desek plošných spojů, ale v procesu zpracování kovové základny a dielektrické laminace vyžaduje vyšší standardy a přísnější kontrolu.
1. Příprava materiálu
Nejprve hliníkový plech nařežte, důkladně ho očistěte a proveďte potřebnou předúpravu. Poté podle konstrukčních požadavků vyberte měděnou fólii a dielektrický materiál.
2. Laminace
Dielektrická vrstva a měděná fólie se za kontrolované teploty a tlaku nalisují a přilepí na hliníkový základ. Tento krok je velmi důležitý; pokud Pokud se laminace neprovede dobře, bude to ovlivněno jak tepelným výkonem, tak i spolehlivostí.
3. Zobrazování a leptání obvodů
Vytvořte navržený měděný vzor a poté na něj proveďte leptání. Pokud používáte silnou měď, je obvykle nutná také kompenzace šířky čáry, jinak nemusí být rozměry přesné.
4. Vrtání a mechanické zpracování
Provádějte vrtání otvorů, frézování a obrábění V-CUT (V-cut). Je nutné pečlivě kontrolovat výběr nástroje a regulaci rychlosti, protože metody zpracování hliníku a FR-4 se liší.
5. Pájecí maska a sítotisk
Nejprve naneste vrstvu pájecí masky a poté na ni vytiskněte požadované označení a štítky.
6. Povrchová úprava
Deska plošných spojů projde finální povrchovou úpravou, která usnadní pájení a zároveň poskytne ochranu.
7. Elektrické testování a inspekce
Bude provedena řada kontrol, jako je například zkouška otevřeným/zkratovým zapojením, vizuální kontrola a kontrola rozměrů, aby se zaručilo, že výrobek projde základním ověřením kvality.
Pro fázi prototypování je klíčovým krokem prototypování hliníkových desek plošných spojů. Umožňuje předběžné ověření skutečného tepelného výkonu a následné rozhodnutí, zda pokračovat v hromadné výrobě či nikoli.
Metoda testování kvality hliníkových desek plošných spojů
Každá deska plošných spojů s kovovým jádrem musí před opuštěním továrny projít ověřením kvality, což je základní požadavek.
Inspekce vzhledu
Na povrchu desky plošných spojů by měly být zkontrolovány problémy, jako jsou škrábance, oxidace, důlky, kontaminace, otřepy a vady pájecí masky.
Elektrické zkoušky
Provádění testů přerušeného a zkratovaného obvodu se provádí za účelem ověření, zda měděné obvody nevykazují nějaké chyby, jako jsou nesprávná připojení, přerušené obvody nebo zkraty.
Zkoušení tepelné odolnosti
Provádění testů za vysokých teplot znamená kontrolu, zda deska plošných spojů snese tepelné namáhání, aniž by se při vystavení teplu vyskytly problémy, jako je delaminace, puchýře nebo selhání pájecí masky.
Testování deformace
Je nutné zajistit, aby byla rovinnost desky plošných spojů řádně zachována, aby následná montáž a integrace systému proběhly hladce.
Vysokonapěťové testování
Zkoušky vysokým napětím jsou obvykle nutné k potvrzení spolehlivosti izolace u energetických a komunikačních produktů.
Testování tepelného výkonu
Provedením testů tepelného odporu a vodivosti je možné potvrdit, zda skutečný výkon desky plošných spojů splňuje požadavky stanovené během procesu návrhu.
Během mnoha fází vývoje, při provádění prototypování hliníkových desek plošných spojů, je nejlepší provádět termovizní zobrazování nebo testování termočlánků za skutečných provozních podmínek, aby se vyhodnotilo, jak funguje odvod tepla.
Běžné aplikace hliníkových desek plošných spojů
Díky svým vynikajícím tepelným a mechanickým výhodám je technologie hliníkových desek plošných spojů široce používána v mnoha průmyslových odvětvích.
Je široce používán v LED osvětlení, jako jsou pouliční lampy, světlomety automobilů, bodová světla a průmyslová pracovní světla. Ve výkonové elektronice se běžně vyskytuje v napájecích zdrojích DC-DC a AC-DC, střídačích a pohonech motorů. V automobilových systémech se používá v řídicích modulech, regulátorech a osvětlovacích obvodech. V průmyslových zařízeních se používá v automatizačních zařízeních, výkonových modulech a produktech pro řízení motorů. Kromě toho se může také použít v audio zesilovačích, komunikačních zařízeních a některých počítačových výkonových sestavách.
V těchto aplikacích může hliníkový substrát odvádět teplo efektivněji než běžné desky plošných spojů.
Výzvy v procesu výroby hliníkových desek plošných spojů
Princip není složitý, ale během výroby hliníkové desky plošných spojů stále existuje mnoho výzev.
Ochrana hliníkového povrchu
Během zpracování je hliníkový povrch snadno náchylný k poškrábání, oxidaci nebo kontaminaci. Proto je nutné se během operace zaměřit na způsob manipulace a přijmout vhodná ochranná opatření.
Silný lept mědi
Při použití silné mědi je po leptání obtížnější přesně regulovat šířku stopy.
Tisk pájecí masky
Pokud je výškový rozdíl mezi silnou měděnou plochou a okolní oblastí příliš velký, bude to ovlivněno přilnavostí pájecí masky a také se zhorší kvalita tisku.
Vrtání a frézování
Hliník je ve srovnání s FR-4 „abrazivnější“ pro řezné nástroje. Pokud se vrtání nebo frézování neprovádí správně, je náchylný k tvorbě otřepů, které pak mohou ovlivnit elektrickou izolaci a dokonce i spolehlivost vysokého napětí.
Dielektrická uniformita
Pokud je dielektrická vrstva nerovnoměrná v tloušťce nebo vodivosti, bude to současně ovlivňovat jak tepelný, tak elektrický výkon.
Montážní tepelný profil
Během montáže je obvykle nutné, vzhledem k větší tepelné hmotnosti desky plošných spojů, upravit parametry pájení reflow.
Z tohoto důvodu je výběr zkušeného výrobce hliníkových desek plošných spojů zásadní.
Závěr
Hliníková deska plošných spojů (PCB) je velmi praktické řešení, vhodné zejména pro produkty, které vyžadují jak dobrou tepelnou odolnost a mechanickou pevnost, tak i dlouhodobou spolehlivost. Skládá se z měděných vrstev, dielektrických vrstev a hliníkových základů. Tato struktura jí dává pevnost oproti FR-4 ve vysoce výkonných aplikacích.
Od jednostranných LED desek až po složitější napájecí moduly, mnoho inženýrů volí hliníkové desky plošných spojů, když je nutné zlepšit tepelný výkon a zároveň se vyhnout příliš drahým řešením. Zda bude výsledek dobrý, či nikoli, však závisí na tom, zda je dobře proveden návrh, výběr materiálu, kontrolovaný výrobní proces a testování.
Ať už provádíte hodnocení nového produktu, připravujete se na prototypování hliníkových desek plošných spojů nebo hledáte dodavatele pro hromadnou výrobu, klíčem je výběr správného spolehlivého výrobce hliníkových desek plošných spojů.
Druhá strana musí skutečně rozumět výběru dielektrika, tepelnému návrhu, procesním problémům a kontrole kvality. Při použití ve vhodných scénářích může dobře navržená kovová deska plošných spojů zvýšit stabilitu výkonu produktu, prodloužit jeho životnost a celkově zlepšit spolehlivost.
