Desky plošných spojů s kovovým jádrem (MCPCB) od PCBasic  

Vzhledem k tomu, že elektronické výrobky se stávají stále výkonnějšími, menšími a vysoce výkonnými, problém s odvodem tepla se stal důležitým problémem, který je třeba řešit při návrhu desek plošných spojů. Tradiční materiály desek plošných spojů (jako je FR-4 a polyimid) mají nízkou tepelnou vodivost a je obtížné včas odvádět teplo ve vysoce výkonných obvodech, což může snadno vést k nadměrnému zahřívání součástek nebo dokonce k jejich poškození.

Aby se tento problém vyřešil, společnost PCBasic se zaměřila na návrh a výrobu desek plošných spojů s kovovým jádrem (MCPCB), známých také jako desky plošných spojů s kovovým jádrem, desky plošných spojů s kovovým plátováním nebo termální desky plošných spojů. Tento typ desky plošných spojů obsahuje ve své konstrukci vrstvu kovového jádra, která dokáže rychleji odvádět teplo, čímž se provoz obvodu stává stabilnějším a spolehlivějším. Je velmi vhodná pro použití v různých vysoce výkonných elektronických produktech.

Co je MCPCB?

Desky plošných spojů s kovovým substrátem (IMS) nebo tepelně plátované desky plošných spojů (MCPCB) jsou typem desek plošných spojů s kovovým jádrem, které jsou speciálně navrženy pro řešení problému s zahříváním elektronických výrobků.

Na rozdíl od tradičních desek plošných spojů FR-4, které jako základní materiál používají pryskyřici nebo sklolaminát, obsahuje deska plošných spojů s kovovým jádrem ve své struktuře základní kovovou vrstvu, obvykle vyrobenou ze slitin hliníku, mědi nebo oceli. Tato kovová vrstva dokáže rychle odvádět teplo generované součástkami ven a přenášet ho na chladič nebo vrstvu kovového jádra, čímž zajišťuje stabilnější chod obvodu a menší náchylnost k přehřátí.

Mezi těmito kovovými materiály je hliník nejčastěji používaným materiálem díky své dobré tepelné vodivosti, vysoké mechanické pevnosti a nízkým nákladům. V současné době je hlavní volbou pro výrobu MCPCB.

MCPCB se skládají z vodivé vrstvy, tepelně izolační vrstvy a vrstvy kovového substrátu.

Standardní deska plošných spojů s kovovým jádrem se skládá z:

•  Vrstva pájecí masky

•  Obvodová vrstva

•  Měděná vrstva (1oz–6oz mědi, nejběžnější 1–2oz)

•  Dielektrická izolační vrstva

•  Kovová vrstva jádra (hliník, měď nebo ocel) – funguje jako chladič

•  Volitelný ochranný nátěr nebo povrchová úprava

Výhody MCPCB

Ve srovnání s tradičními deskami plošných spojů mají kovové desky plošných spojů následující zjevné výhody:

1. Vynikající odvod tepla

Díky použití kovových materiálů je tepelná vodivost desek plošných spojů s kovovým jádrem (zejména hliníkových a měděných substrátů) mimořádně vynikající. Dokáže rychle odvádět teplo generované vysoce výkonnými LED diodami, napájecími moduly, automobilovou elektronikou atd., což výrazně zvyšuje účinnost odvodu tepla a zvyšuje stabilitu obvodu.

2. Snížená potřeba externích chladičů

Desky MCPCB dokáží samy o sobě velmi dobře vést teplo, takže v mnoha případech není nutné přidávat další chladiče ani ventilátory. Zařízení je tak menší, lehčí a má jednodušší konstrukci.

3. Vysoká mechanická pevnost

Kovová vrstva jádra (zejména hliníkový materiál) činí desku plošných spojů pevnější, schopnou odolat namáhání způsobenému ohybem, vibracemi a tepelnou roztažností a smršťováním a zároveň odolnější jak při výrobě, tak při používání.

4. Lehký a ekologický

Ve srovnání s keramickými nebo sklolaminátovými deskami jsou desky plošných spojů s kovovým jádrem nejen lehčí a odolnější, ale také recyklovatelné a znovu použitelné. Zejména hliník, který je netoxický, šetrný k životnímu prostředí a recyklovatelný, je velmi vhodný pro udržitelnou výrobu.

5. Rozměrová stabilita

V teplotním rozsahu od 30 °C do 150 °C si kovové desky plošných spojů zachovávají stabilní rozměry a výkon, což zajišťuje dlouhodobý spolehlivý provoz zařízení.

Typy MCPCB

V závislosti na konfiguraci vodivých a kovových vrstev lze MCPCB rozdělit do pěti hlavních typů:

1. Jednovrstvá MCPCB

2. COB MCPCB (čip na desce)

3. Dvouvrstvé MCPCB

4. Oboustranná MCPCB

5. Vícevrstvá MCPCB

Jednovrstvá MCPCB

Jednovrstvá MCPCB 

Jednovrstvá kovová deska plošných spojů se skládá ze tří částí: měděné obvodové vrstvy, dielektrické izolační vrstvy a kovové základny (obvykle se používá hliník). Tato struktura je jednoduchá a praktická, cenově výhodná a spolehlivá a je velmi vhodná pro hromadnou výrobu.

Aplikace:

• LED osvětlení a lampy s vysokým jasem

• Automobilová a průmyslová relé

• Audio zařízení a zesilovače

• Senzory a balicí stroje

Jednovrstvé MCPCB vyráběné společností PCBasic se široce používají v LED osvětlení. Díky vynikajícímu odvodu tepla dokáží účinně snižovat teplotu, čímž zajišťují jas a dlouhou životnost světelných zdrojů.

COB MCPCB

COB MCPCB (Chip-on-Board Metal Core PCB) je speciální typ plošných spojů s kovovým jádrem. Její nejvýraznější vlastností je, že holé čipy jsou instalovány přímo na kovové jádro desky, čímž se eliminuje potřeba dielektrické bariérové ​​vrstvy v tradiční struktuře.

Tato konstrukce umožňuje přímý kontakt čipu s kovovým jádrem desky plošných spojů, což vede k rychlejšímu a efektivnějšímu přenosu tepla. Tepelná vodivost může přesáhnout 200 W/m·K, což je téměř ekvivalentní tepelné vodivosti samotného kovového základního materiálu.

Základní struktura desky plošných spojů s kovovým jádrem COB zahrnuje:

•  Přímé lepení čipů na kovové jádro PCB

•  Spojování vodičů pro propojení signálů

•  Zapouzdření epoxidovou pryskyřicí pro ochranu proti třískám

Čip je pevně zabudován do desky MCPCB pomocí propojení vodičů a epoxidového zapouzdření. Tato konstrukce může zlepšit rovnoměrnost světla a zároveň prodloužit životnost vysoce výkonných LED diod.

Většina desek COB MCPCB používá jako jádro hliník kvůli jeho dobré tepelné vodivosti, vysoké pevnosti a nízkým nákladům, což se stává první volbou pro většinu výrobců desek plošných spojů s kovovým jádrem. Některé špičkové produkty také používají hliníkové desky plošných spojů se zrcadlovým povrchem a stříbrným/zlatým pokovením pro zvýšení odrazivosti a odvodu tepla.

Aplikace:

• LED pouliční osvětlení a světlomety

• LED podsvícení a zobrazovací moduly

• Napájecí zdroje a měniče

• Automobilové světlomety a signální systémy

• Zemědělská a zahradnická pěstební světla

• Průmyslové a architektonické osvětlovací systémy

Dvouvrstvá MCPCB

Dvouvrstvá MCPCB 

Dvouvrstvá MCPCB je typ desky plošných spojů s kovovým jádrem, která má složitější strukturu než jednovrstvá. Má dvě měděné vrstvy, které jsou obě nalaminovány na kovovou základnu na stejné straně. Běžně používané materiály jsou hliník nebo měď. Kovové jádro se nachází ve spodní části desky plošných spojů, což může poskytovat dobrou mechanickou oporu a zároveň napomáhat rychlému odvodu tepla.

Na rozdíl od oboustranných desek plošných spojů s kovovým jádrem, kde jsou dvě měděné vrstvy rozloženy na obou stranách kovového jádra, jsou všechny elektronické součástky dvouvrstvé MCPCB instalovány na stejné straně, což činí konstrukci kompaktnější.

Ve srovnání s jednovrstvými kovovými deskami plošných spojů (PCB) je výroba dvouvrstvých MCPCB složitější. Během výroby je nutný další krok laminace, aby se tepelně vodivá vrstva pevně spojila s kovovým substrátem. Tento krok má vysoké požadavky na přesnost procesu a musí zajistit, aby vrstvy byly izolovány a spolehlivě vedly elektrický proud.

Aplikace dvouvrstvých MCPCB

• Výkonové střídače a usměrňovače

• Audio předzesilovače a zesilovače

• Řídicí jednotky a regulátory výkonu

• Zařízení pro průmyslovou automatizaci

• Ovladače motorů a komunikační moduly

Jako profesionální výrobce desek MCPCB používá PCBasic pokročilou technologii laminace, která zajišťuje, že v každé dvouvrstvé desce MCPCB je tepelně vodivá vrstva těsně spojena s kovovým substrátem a není náchylná k delaminaci.

Oboustranná MCPCB

Podobně jako dvouvrstvé desky plošných spojů s kovovým jádrem mají i oboustranné desky plošných spojů s kovovým jádrem dvě vrstvy měděných vodičů. Jejich kovové jádro se však nachází mezi těmito dvěma vrstvami. Jinými slovy, na horním i spodním povrchu kovového jádra jsou vodivé stopy, které jsou propojeny pokovenými průchodkami.

Na rozdíl od jednostranných desek plošných spojů s kovovým jádrem vyžadují oboustranné MCPCB během výroby dodatečný krok laminace, který pevně spojí vzorované tepelně vodivé vrstvy s kovovým jádrem substrátu.

Ve srovnání s běžnými deskami plošných spojů FR-4 mají oboustranné kovové jádro vyšší požadavky na přesnost a výrobní zkušenosti. Při laminování dvou vrstev měděné fólie na kovové jádro je nutné přesně regulovat teplotu, tlak a izolační vlastnosti. Pouze tímto způsobem lze zajistit dobrou elektrickou izolaci a stabilní tepelný výkon.

Aplikace:

• Průmyslové řídicí jednotky

• Výkonové měniče a regulátory

• Systémy vytápění, větrání a klimatizace

• Automobilové palubní desky

• UPS a komunikační systémy

Vícevrstvá MCPCB

Vícevrstvá MCPCB 

Vícevrstvá deska plošných spojů s kovovým jádrem je druh vysoce výkonné desky plošných spojů s kovovým jádrem. Skládá se z několika vrstev měděných obvodů a tepelně vodivých dielektrických materiálů naskládaných na pevném kovovém základu.

Tato struktura umožňuje desce plošných spojů dosáhnout vnitřního směrování signálů, zemních ploch a slepých nebo zapuštěných průchodů při zachování vysoké tepelné vodivosti. Nabízí také vyšší flexibilitu návrhu a zároveň lepší tepelný management.

Ve srovnání s tradičními deskami plošných spojů FR-4 jsou výrobní požadavky na vícevrstvé MCPCB vyšší. V procesu laminace je nutné přesně kontrolovat teplotu, tlak a izolační vlastnosti, aby se zajistilo pevné spojení každé měděné vrstvy s kovovým jádrem.

Aplikace:

• Servery a datová centra

• Letecké a satelitní systémy

• Lékařská elektronika (EKG, monitory srdeční činnosti)

• Vysokofrekvenční komunikační systémy

• Vědecké přístroje