استفاده از زیرلایه‌های آلومینیومی در PCB

دستگاه‌های الکترونیکی مدام کوچک‌تر می‌شوند. در عین حال، کارهای بیشتری انجام می‌دهند. قدرت بیشتر، پردازش بیشتر، گرمای بیشتر. چالش اصلی از همین بخش آخر - گرما - شروع می‌شود.

در مدارهای پرقدرت، گرما فقط یک محصول جانبی نیست. بلکه مشکلی است که باید حل شود. اینجاست که PCB های زیرلایه آلومینیومی وارد عمل می‌شوند. این PCB ها که به عنوان PCB با هسته آلومینیومی نیز شناخته می‌شوند، برای دور کردن گرما از اجزای حساس ساخته شده‌اند. آنها فقط سیگنال‌ها را حمل نمی‌کنند - آنها گرما را به بیرون و پایین منتقل می‌کنند.

در مقایسه با بردهای استاندارد FR4، زیرلایه‌های آلومینیومی معادله را تغییر می‌دهند. آن‌ها رسانایی حرارتی خوب را با استحکام مکانیکی بالا ترکیب می‌کنند.

شما آنها را در سیستم‌های LED پیدا خواهید کرد. به عنوان مثال، مبدل‌های برق و وسایل نقلیه الکتریکی. مکان‌هایی که گرما را نمی‌توان نادیده گرفت. در این محیط‌ها، مدیریت بار حرارتی اختیاری نیست - این تفاوت بین عملکرد پایدار و خرابی است.

این پست به تفصیل به این موضوع می‌پردازد. این بردها چه هستند؟ چرا از آنها استفاده می‌شود؟ و مهندسان هنگام طراحی با آنها باید به چه نکاتی توجه کنند؟

برد مدار چاپی (PCB) با زیرلایه آلومینیومی چیست؟

این یک برد مدار چاپی (PCB) است، اما هسته آن از فلز ساخته شده است. به جای فایبرگلاس (FR4)، از آلومینیوم به عنوان لایه پایه استفاده می‌کند. همین تغییر کوچک، تفاوت زیادی ایجاد می‌کند.

چرا؟ گرما. این بردها طوری ساخته شده‌اند که بدون نیاز به خنک‌کننده خارجی، دماهای بالا را مدیریت کنند. خبری از هیت‌سینک‌های حجیم یا فن‌های اضافی نیست.

ساختار اولیه به این صورت است:

●      لایه مدار مسی در بالا - برای مسیرهای الکتریکی.

●      لایه دی الکتریک در وسط - عایق است اما گرما را عبور می‌دهد.

●      پایه آلومینیومی در پایین - گرما را به سرعت جذب می‌کند.

این ظاهری نیست. کاربردی است. آلومینیوم به عنوان یک بزرگراه حرارتی عمل می‌کند و گرما را به طور موثر از سیستم خارج می‌کند. اکثر طرح‌ها یک طرفه هستند. قطعات در بالا. فلز در زیر. نسخه‌های چند لایه وجود دارند، اما ساخت آنها دشوارتر است و هزینه بیشتری دارند.

این در مورد انعطاف‌پذیری نیست. این در مورد ... استدوام. قدرت و گرمای بالا. در عین حال فضای کم. این میدان نبرد است.

ممکن است عبارت «برد مدار چاپی با هسته فلزی» یا برد مدار چاپی با هسته آلومینیومی را بشنوید. مفهوم یکسان است. آلومینیوم رایج‌ترین انتخاب است.

 چرا؟ سبک، محکم، ارزان و دارای رسانایی حرارتی عالی است.

لایه آلومینیوم معمولاً ضخامتی بین ۰.۸ میلی‌متر تا ۳ میلی‌متر دارد و اغلب برای مقاومت در برابر خوردگی و افزایش طول عمر، آنودایز می‌شود.

وقتی طراحی شما نمی‌تواند از پسِ خرابی ناشی از گرما بربیاید، این بردی است که انتخاب می‌کنید.

چرا از زیرلایه‌های آلومینیومی در PCB استفاده می‌شود؟

از آنجا که گرما دشمن است، در مدارهای پرقدرت، مدیریت ضعیف حرارتی فقط یک مشکل نیست - بلکه یک نقطه شکست است. قطعات بیش از حد گرم می‌شوند. سیگنال‌ها ضعیف می‌شوند. طول عمر کاهش می‌یابد.

آلومینیوم این مشکل را حل می‌کند. رسانایی حرارتی آن حدود 205 وات بر متر مکعب است. این را با FR4 مقایسه کنید که به سختی به 0.4 وات بر متر مکعب می‌رسد. این حتی نزدیک به این عدد هم نیست.

آلومینیوم گرما را به سرعت و به طور یکنواخت جذب می‌کند.

اما این تمام کاری نیست که انجام می‌دهد:

●      ثبات ابعادی: تحت تنش حرارتی شکل خود را حفظ می‌کند. بدون تاب برداشتن. بدون ریزترک.

●      محافظ EMI: هسته فلزی به طور طبیعی تداخل را مسدود می‌کند. سیگنال‌های تمیز، حتی در فرکانس‌های بالا.

●      قدرت مکانیکی: قوی‌تر از FR4. مقاوم‌تر در برابر ضربه. ساخته شده برای تحمل ضربات شدید.

●      کارایی هزینه: ارزان‌تر از سرامیک است، اما عملکرد حرارتی مشابهی را ارائه می‌دهد.

علاوه بر این، با تولید مدرن، نمونه‌سازی اولیه سریع‌تر و آسان‌تر از همیشه است. می‌توانید بدون هدر دادن بودجه، کار را تکرار کنید.

به همین دلیل است که آلومینیوم دیگر یک انتخاب خاص نیست. این یک استاندارد برای طرح‌های مقاوم در برابر حرارت است.

مزایای کلیدی PCB های زیرلایه آلومینیومی

مزایای زیرلایه آلومینیومی به شرح زیر است:

۱. اتلاف سریع گرما

آلومینیوم مانند یک هیت سینک داخلی عمل می‌کند. گرما از طریق دی‌الکتریک از اجزا به هسته فلزی منتقل می‌شود. در بیشتر موارد نیازی به خنک‌کننده خارجی نیست.

2. قابلیت اطمینان بهبود یافته

تنش حرارتی کمتر به معنای عمر طولانی‌تر قطعات است. دمای پایدار، نرخ خرابی را در همه زمینه‌ها کاهش می‌دهد.

۳. چگالی توان بالا

طرح جمع و جور اما جریان بالاتر. پایه‌های آلومینیومی برای نصبe، طرح‌های با وات بالا بدون گرم شدن بیش از حد.

4. دوام مکانیکی

برد مدار چاپی آلومینیومی سفت و سخت و مقاوم در برابر ضربه است. علاوه بر این، می‌تواند لرزش، فشار و استرس فیزیکی را بهتر از FR4 تحمل کند.

5. عملکرد سبک وزن

با وجود هسته فلزی، سبک است. بسیار سبک‌تر از سرامیک. ایده‌آل برای کاربردهایی که وزن اهمیت دارد - مانند پنل‌های LED یا ماژول‌های خودرو.

۶. کنترل انبساط حرارتی

CTE (ضریب انبساط حرارتی) به اجزایی مانند نیمه‌رساناها نزدیک‌تر است. این به معنای تنش مکانیکی کمتر در طول چرخه‌های گرمایش/سرمایش است.

کاربردهای رایج PCB های زیرلایه آلومینیومی

سیستم های روشنایی LED

ال‌ای‌دی‌های با لومن بالا داغ می‌شوند. برای فایبرگلاس خیلی داغ هستند. آلومینیوم این گرما را به سرعت خارج می‌کند. این به معنای نورهای روشن‌تر، رانش حرارتی کمتر و طول عمر بیشتر است.

تجهیزات تبدیل برق

اینورترهای برق و SMPS را در نظر بگیرید. ولتاژ بالا. آنها جریان بالا و حاشیه حرارتی محدودی دارند. PCB های آلومینیومی به دفع سریع گرما از مسیر کمک می‌کنند. راندمان بهتر، خرابی‌های حرارتی کمتر.

الکترونیک خودرو

در خودروهای مدرن، PCB های زیرلایه آلومینیومی در چراغ‌های جلو، سیستم‌های کنترل باتری و ماژول‌های کنترل موتور استفاده می‌شوند. آن‌ها می‌توانند در برابر لرزش، گرما و قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی بهتر از بردهای استاندارد FR4 مقاومت کنند.

سخت‌افزار مخابراتی

ایستگاه‌های پایه، روترهای شبکه و تقویت‌کننده‌های سیگنال اغلب از PCBهای آلومینیومی برای حفظ عملکرد پایدار در طول عملیات طولانی مدت با بار زیاد استفاده می‌کنند.

فروش الکترونیک

از ماژول‌های پاور لپ‌تاپ گرفته تا کنسول‌های بازی با کارایی بالا، PCB با هسته آلومینیومی با کاهش وابستگی به فن‌ها یا خنک‌کننده‌های خارجی، امکان طراحی‌های باریک‌تر و مدیریت حرارتی بی‌صداتر را فراهم می‌کند.

ملاحظات طراحی و ساخت

طراحی یک برد مدار چاپی با زیرلایه آلومینیومی مانند کار با FR4 استاندارد نیست. قوانین متفاوتی وجود دارد. و آنها مهم هستند.

مسیر حرارتی کلیدی است

هر طراحی باید نحوه انتقال گرما از اجزا به پایه آلومینیومی را در نظر بگیرد. لایه دی‌الکتریک باید تا حد امکان نازک باشد. اما همچنان به عایق قوی نیاز دارد. اکثر آنها از دی‌الکتریک‌های مبتنی بر پلیمر، گاهی اوقات با ذرات سرامیکی، برای افزایش حرارتی استفاده می‌کنند. هرچه نازک‌تر باشد، جریان حرارتی بهتر است - اما نه خیلی نازک. حاشیه ایمنی مهم است.

مسیریابی هم متفاوت است

مسیرها باید پهن‌تر باشند تا بتوانند جریان‌های بالاتر را تحمل کنند. از زوایای تیز اجتناب می‌شود. مسیرها منحنی نقاط تنش را کاهش می‌دهند. پدها و مسیرها به مراقبت بیشتری نیاز دارند. مسیرها با سوراخ‌های عمیق نمی‌توانند بدون سوراخ‌کاری یا عایق‌بندی ویژه به پایه آلومینیومی نفوذ کنند.

تسلط تک لایه

بیشتر بردهای مدار چاپی آلومینیومی یک طرفه هستند. دلیل این امر آن است که هسته فلزی، مسیر عبور جریان‌های الکتریکی را مسدود می‌کند. اگر طراحی چند لایه مورد نیاز باشد، به تکنیک‌های خاصی مانند انباشت دی‌الکتریک یا لایه‌های انعطاف‌پذیر نیاز است.

جایگذاری قطعات یک اقدام استراتژیک است

اجزای داغ جایی قرار می‌گیرند که گرما بتواند سریع به پایین حرکت کند. آنها را نزدیک مرکز نگه دارید. آی‌سی‌های کم‌مصرف را دورتر قرار دهید. این کار مانند ساختن یک نقشه حرارتی قبل از وجود برد است.

پوشش لحیم و پرداخت سطح باید هم‌تراز باشند

از آنجا که آلومینیوم می‌تواند در اثر حرارت منبسط شود، پرداخت سطح آن باید مقاوم باشد. ENIG (طلای غوطه‌وری بدون الکترولس نیکل) و OSP (نگهدارنده لحیم‌کاری آلی) رایج هستند.

نمونه‌سازی اولیه می‌تواند پیچیده باشد

نمونه‌سازی اولیه PCB آلومینیومی هزینه بیشتری نسبت به استاندارد FR4 دارد. ابزارآلات متفاوت است. پارامترهای ساخت نیز متفاوت هستند. اما قیمت‌ها در سال‌های اخیر به لطف تقاضا از سوی بخش‌های خودرو و LED کاهش یافته است.

انزوا حیاتی است

آلومینیوم رسانا است. هیچ جایی برای خطای طراحی وجود ندارد. یک رد اشتباه، اتصال کوتاه می‌شود. طراحان اغلب شیارهای ایزوله یا مناطق محافظ اضافه می‌کنند. اینها مانند آتش‌شکن عمل می‌کنند.

حفاری مکانیکی نیاز به دقت دارد

نمی‌توانید با آن مثل فایبرگلاس رفتار کنید. آلومینیوم ابزارها را به سرعت کند می‌کند. دستگاه‌های CNC از مته‌های کاربیدی و نرخ‌های پیشروی ویژه استفاده می‌کنند. پرداخت لبه مهم است. یک لبه ناهموار می‌تواند نصب را به خطر بیندازد یا مشکلات EMI ایجاد کند.

نتیجه

بردهای مدار چاپی آلومینیومی طرز فکر ما را در مورد طراحی حرارتی تغییر داده‌اند. آنها مشکلات واقعی را حل می‌کنند. گرما، قابلیت اطمینان و فضا. علاوه بر این، آنها این کار را بدون نیاز به خنک‌کننده خارجی حجیم انجام می‌دهند.

در سیستم‌های LED، طول عمر را افزایش می‌دهند. در الکترونیک قدرت، راندمان تبدیل را بهبود می‌بخشند. با این حال، در وسایل نقلیه، ارتعاشات و گرمای شدید را کنترل می‌کنند. آنها نه کامل هستند و نه جهانی. اما برای کاربردهای پرقدرت و گرمازا، اغلب بهترین انتخاب هستند.

از نمونه‌سازی اولیه برد مدار چاپی آلومینیومی گرفته تا تولید انبوه، موفقیت به درک نقاط قوت و محدودیت‌های مواد بستگی دارد.

با افزایش تقاضا برای قطعات الکترونیکی کوچک‌تر، سریع‌تر و کارآمدتر، بردهای مدار چاپی آلومینیومی اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند. مهندسان باید آماده باشند. جنس مواد را بشناسید. در نهایت، همیشه با در نظر گرفتن گرما طراحی کنید.