بردهای مدار چاپی با هسته فلزی (MCPCBs) از PCBasic  

با قدرتمندتر، کوچک‌تر و با کارایی بالاتر شدن محصولات الکترونیکی، مسئله اتلاف گرما به یک مشکل مهم تبدیل شده است که باید در طراحی PCB حل شود. مواد PCB سنتی (مانند FR-4 و پلی‌آمید) رسانایی حرارتی ضعیفی دارند و اتلاف گرما به موقع در مدارهای پرقدرت دشوار است، که به راحتی می‌تواند منجر به گرم شدن بیش از حد قطعات یا حتی آسیب شود.

برای حل این مشکل، PCBasic بر طراحی و ساخت بردهای مدار چاپی با هسته فلزی (MCPCB) که با نام‌های بردهای مدار چاپی با هسته فلزی، بردهای مدار چاپی با روکش فلزی یا بردهای مدار چاپی حرارتی نیز شناخته می‌شوند، تمرکز کرد. این نوع برد مدار دارای یک لایه هسته فلزی در طراحی خود است که می‌تواند گرما را سریع‌تر دفع کند و عملکرد مدار را پایدارتر و قابل اعتمادتر سازد. این برد برای استفاده در محصولات الکترونیکی مختلف با توان و کارایی بالا بسیار مناسب است.

MCPCB چیست؟

MCPCBها که با نام‌های PCB با زیرلایه فلزی عایق (IMS) یا PCB با روکش حرارتی نیز شناخته می‌شوند، نوعی برد مدار چاپی با هسته فلزی هستند که به طور خاص برای حل مشکل گرمایش محصولات الکترونیکی طراحی شده‌اند.

برخلاف بردهای مدار چاپی سنتی FR-4 که ​​از رزین یا فایبرگلاس به عنوان ماده پایه استفاده می‌کنند، یک برد مدار چاپی با هسته فلزی، یک لایه پایه فلزی را در ساختار خود جای داده است که معمولاً از آلیاژهای آلومینیوم، مس یا فولاد ساخته شده است. این لایه فلزی می‌تواند به سرعت گرمای تولید شده توسط قطعات را به بیرون هدایت کرده و آن را به هیت سینک یا لایه هسته فلزی منتقل کند، در نتیجه مدار پایدارتر و کمتر مستعد گرم شدن بیش از حد می‌شود.

در میان این مواد فلزی، آلومینیوم به دلیل رسانایی حرارتی خوب، استحکام مکانیکی بالا و هزینه کم، رایج‌ترین ماده مورد استفاده است. در حال حاضر، آلومینیوم انتخاب اصلی برای تولید MCPCB است.

MCPCB ها از یک لایه رسانا، یک لایه عایق حرارتی و یک لایه زیرلایه فلزی تشکیل شده‌اند.

یک برد مدار چاپی با هسته فلزی استاندارد از اجزای زیر تشکیل شده است:

•  لایه ماسک لحیم کاری

•  لایه مدار

•  لایه مس (۱ اونس تا ۶ اونس مس، رایج‌ترین ۱ تا ۲ اونس)

•  لایه عایق دی الکتریک

•  لایه هسته فلزی (آلومینیوم، مس یا فولاد) - به عنوان هیت سینک عمل می‌کند

•  پوشش یا پرداخت محافظ اختیاری

مزایای MCPCB

در مقایسه با بردهای مدار چاپی سنتی، بردهای مدار چاپی با هسته فلزی مزایای آشکار زیر را دارند:

۱. اتلاف حرارت برتر

به دلیل استفاده از مواد فلزی، رسانایی حرارتی PCB های هسته فلزی (به ویژه زیرلایه های آلومینیومی و مسی) بسیار عالی است. این بردها می توانند به سرعت گرمای تولید شده توسط LED های پرقدرت، ماژول های برق، قطعات الکترونیکی خودرو و غیره را دفع کنند و به طور قابل توجهی راندمان دفع گرما را افزایش داده و مدار را پایدارتر کنند.

۲. کاهش نیاز به هیت سینک خارجی

بردهای MCPCB می‌توانند به خودی خود گرما را به خوبی هدایت کنند، بنابراین در بسیاری از موارد، نیازی به اضافه کردن هیت سینک یا فن خنک‌کننده اضافی نیست. به این ترتیب، تجهیزات از نظر اندازه کوچکتر، وزن سبک‌تر و طراحی ساده‌تری دارند.

3. استحکام مکانیکی بالا

لایه هسته فلزی (به ویژه جنس آلومینیوم) باعث می‌شود برد مدار چاپی سفت‌تر شود، بتواند در برابر تنش‌های ناشی از خم شدن، لرزش و انبساط و انقباض حرارتی مقاومت کند و در تولید و استفاده دوام بیشتری داشته باشد.

۴. سبک و سازگار با محیط زیست

در مقایسه با بردهای سرامیکی یا فایبرگلاس، بردهای مدار چاپی با هسته فلزی نه تنها سبک‌تر و بادوام‌تر هستند، بلکه قابل بازیافت و استفاده مجدد نیز می‌باشند. به خصوص آلومینیوم که غیرسمی، سازگار با محیط زیست و قابل بازیافت است، برای تولید پایدار بسیار مناسب است.

5. ثبات ابعادی

در محدوده دمایی 30 تا 150 درجه سانتیگراد، بردهای مدار چاپی با هسته فلزی، ابعاد و عملکرد پایداری را حفظ می‌کنند و عملکرد قابل اعتماد طولانی مدت تجهیزات را تضمین می‌کنند.

انواع MCPCB

بسته به پیکربندی لایه‌های رسانا و فلزی، MCPCBها را می‌توان به پنج نوع اصلی طبقه‌بندی کرد:

1. MCPCB تک لایه

۲. COB MCPCB (تراشه روی برد)

3. دو لایه MCPCB

4. MCPCB دو طرفه

5. MCPCB چند لایه

MCPCB تک لایه

MCPCB تک لایه 

یک برد مدار چاپی تک لایه با هسته فلزی از سه بخش تشکیل شده است: لایه مدار مسی، لایه عایق دی الکتریک و پایه فلزی (معمولاً از آلومینیوم استفاده می‌شود). این ساختار ساده و کاربردی، مقرون به صرفه و از نظر عملکرد قابل اعتماد است و برای تولید انبوه بسیار مناسب است.

برنامه های کاربردی:

• روشنایی LED و لامپ‌های پرنور

• رله‌های خودرویی و صنعتی

• تجهیزات صوتی و تقویت‌کننده‌ها

• حسگرها و ماشین‌آلات بسته‌بندی

MCPCB های تک لایه تولید شده توسط PCBasic به طور گسترده در روشنایی LED استفاده می شوند. با عملکرد عالی در دفع حرارت، می توانند به طور موثر دما را کاهش دهند و روشنایی و طول عمر لامپ ها را تضمین کنند.

COB MCPCB

COB MCPCB (برد مدار چاپی با هسته فلزی چیپ-آن-بورد) نوع خاصی از برد مدار چاپی با هسته فلزی است. برجسته‌ترین ویژگی آن این است که قالب‌های بدون پوشش مستقیماً روی برد هسته فلزی نصب می‌شوند و نیاز به لایه مانع دی‌الکتریک در ساختار سنتی را از بین می‌برند.

این طراحی امکان تماس مستقیم تراشه با هسته فلزی PCB را فراهم می‌کند و در نتیجه انتقال حرارت سریع‌تر و کارآمدتر می‌شود. رسانایی حرارتی می‌تواند از 200 W/m·K فراتر رود که تقریباً معادل رسانایی حرارتی خود ماده پایه فلزی است.

ساختار اساسی PCB هسته فلزی COB شامل موارد زیر است:

•  اتصال مستقیم تراشه روی برد مدار چاپی با هسته فلزی

•  اتصال سیم برای اتصال سیگنال

•  کپسوله سازی رزین اپوکسی برای محافظت از تراشه

این تراشه از طریق اتصال سیمی و کپسوله‌سازی اپوکسی، محکم روی برد MCPCB جاسازی شده است. این طراحی می‌تواند یکنواختی نور را بهبود بخشد و در عین حال، طول عمر LEDهای پرقدرت را افزایش دهد.

بیشتر بردهای COB MCPCB به دلیل رسانایی حرارتی خوب، استحکام بالا و هزینه کم، از آلومینیوم به عنوان ماده اصلی استفاده می‌کنند و به اولین انتخاب برای اکثر تولیدکنندگان PCB با هسته فلزی تبدیل شده‌اند. برخی از محصولات رده بالا نیز از PCB های آلومینیومی با روکش آینه‌ای با آبکاری نقره/طلا برای افزایش بازتاب و عملکرد اتلاف گرما استفاده می‌کنند.

برنامه های کاربردی:

• چراغ‌های خیابانی و نورافکن‌های LED

• ماژول‌های نور پس‌زمینه و نمایشگر LED

• منابع تغذیه و مبدل‌ها

• چراغ‌های جلو و سیستم‌های سیگنال خودرو

• چراغ‌های رشد کشاورزی و باغبانی

• سیستم‌های روشنایی صنعتی و معماری

MCPCB دو لایه

MCPCB دو لایه 

برد مدار چاپی دولایه MCPCB نوعی برد مدار چاپی با هسته فلزی است که ساختار پیچیده‌تری نسبت به برد مدار چاپی تک‌لایه دارد. این برد دارای دو لایه مدار مسی است که هر دو روی یک پایه فلزی در یک طرف لمینت شده‌اند. مواد رایج مورد استفاده آلومینیوم یا مس هستند. هسته فلزی در پایین برد مدار قرار دارد که می‌تواند هم پشتیبانی مکانیکی خوبی را فراهم کند و هم به اتلاف سریع گرما کمک کند.

برخلاف بردهای مدار چاپی با هسته فلزی دو طرفه، که در آن دو لایه مس در دو طرف هسته فلزی توزیع شده‌اند، تمام اجزای الکترونیکی یک برد مدار چاپی دو لایه MCPCB در یک طرف نصب می‌شوند و ساختار را فشرده‌تر می‌کنند.

در مقایسه با بردهای مدار چاپی با هسته فلزی تک لایه، تولید بردهای مدار چاپی چند لایه (MCPCB) دو لایه پیچیده‌تر است. در طول تولید، یک مرحله لایه‌بندی اضافی برای اتصال محکم لایه رسانای حرارتی به زیرلایه فلزی مورد نیاز است. این مرحله الزامات بالایی برای دقت فرآیند دارد و باید اطمینان حاصل شود که لایه‌ها هم عایق هستند و هم می‌توانند الکتریسیته را به طور قابل اعتمادی هدایت کنند.

کاربردهای MCPCB دو لایه

• اینورترها و یکسوکننده‌های برق

• پیش تقویت کننده ها و آمپلی فایرهای صوتی

• واحدهای کنترل قدرت و تنظیم کننده ها

• تجهیزات اتوماسیون صنعتی

• درایورهای موتور و ماژول‌های ارتباطی

به عنوان یک تولیدکننده حرفه‌ای MCPCB، PCBasic از فناوری پیشرفته لایه‌بندی استفاده می‌کند تا اطمینان حاصل شود که در هر برد MCPCB دو لایه، لایه رسانای حرارتی به طور نزدیکی با زیرلایه فلزی ترکیب شده و مستعد لایه‌لایه شدن نیست.

MCPCB دو طرفه

مشابه بردهای مدار چاپی با هسته فلزی دو لایه، بردهای مدار چاپی با هسته فلزی دو طرفه نیز دارای دو لایه رسانای مسی هستند. اما هسته فلزی آنها بین این دو لایه قرار دارد. به عبارت دیگر، مسیرهای مداری در هر دو سطح بالایی و پایینی لایه هسته فلزی وجود دارد که از طریق مسیرها (Via) آبکاری شده به هم متصل می‌شوند.

برخلاف بردهای مدار چاپی با هسته فلزی یک طرفه، بردهای مدار چاپی با هسته فلزی دو طرفه (MCPCB) در طول تولید به یک مرحله لایه بندی اضافی نیاز دارند که لایه های رسانای حرارتی طرح دار را به طور محکم به زیرلایه هسته فلزی پیوند می دهد.

در مقایسه با بردهای مدار چاپی معمولی FR-4، بردهای مدار چاپی با هسته فلزی دو طرفه به دقت و تجربه تولید بالاتری نیاز دارند. هنگام لمینت کردن دو لایه فویل مسی به هسته فلزی، لازم است دما، فشار و عملکرد عایق به طور دقیق کنترل شود. تنها از این طریق می‌توان ایزولاسیون الکتریکی خوب و عملکرد حرارتی پایدار را تضمین کرد.

برنامه های کاربردی:

• واحدهای کنترل صنعتی

• مبدل‌ها و تنظیم‌کننده‌های توان

• سیستم‌های تهویه مطبوع

• داشبورد خودرو

• یو پی اس و سیستم‌های ارتباطی

MCPCB چند لایه

MCPCB چند لایه 

برد مدار چاپی چند لایه با هسته فلزی نوعی برد مدار چاپی با هسته فلزی با کارایی بالا است که از چندین لایه مدار مسی و مواد دی الکتریک رسانای حرارتی تشکیل شده است که روی یک پایه فلزی جامد قرار گرفته‌اند.

این ساختار برد مدار را قادر می‌سازد تا ضمن حفظ رسانایی حرارتی بالا، به مسیریابی سیگنال داخلی، صفحات زمین و طراحی‌های مسیر کور یا مدفون دست یابد. همچنین از انعطاف‌پذیری طراحی بالاتر و عملکرد مدیریت حرارتی بهتری به طور همزمان برخوردار است.

در مقایسه با بردهای مدار چاپی سنتی FR-4، الزامات تولید برای MCPCB های چند لایه بالاتر است. در فرآیند لایه بندی، لازم است دما، فشار و عملکرد عایق به طور دقیق کنترل شود تا اطمینان حاصل شود که هر لایه مسی می‌تواند به طور محکم به هسته فلزی متصل شود.

برنامه های کاربردی:

• سرورها و مراکز داده

• سیستم‌های هوافضا و ماهواره‌ای

• الکترونیک پزشکی (ECG، مانیتورهای قلب)

• سیستم‌های ارتباطی فرکانس بالا

• ابزار دقیق علمی