По мере развития технологий электронные устройства становятся все более мощными, и вместе с этим возникают различные проблемы, включая перегрев. Печатные платы с металлическим сердечником (PCB), также известные как печатные платы с металлическим сердечником или MCPCB, становятся все более востребованными компонентами электронных устройств сегодня, особенно тех, которые требуют эффективного терморегулирования. Эти печатные платы с металлическим сердечником идеально подходят для терморегулирования в компактных, мощных системах.
Мы говорим о преимуществах печатных плат с металлическим сердечником в электронных устройствах и изучаем мощные электронные компоненты, которые могут помочь вам максимально раскрыть потенциал любого электронного проекта. Независимо от того, работаете ли вы с алюминиевой печатной платой, печатной платой с медным сердечником или гибридной платой с металлическим сердечником, выбор правильного производителя печатных плат с металлическим сердечником или производителя MCPCB имеет решающее значение.
Что такое печатные платы с металлическим сердечником (MCPCB)
Существует несколько названий для этого типа печатной платы, включая печатную плату с изолированной металлической подложкой, алюминиевую плакировку, алюминиевую основу и металлическую печатную плату. Все эти термины относятся к различным типам печатных плат с металлическим сердечником или печатных плат с металлическим сердечником, которые в основном имеют идентичные преимущества и характеристики.
Печатные платы с металлическим сердечником, как следует из названия, имеют металлическое основание рядом с частью теплоотвода платы. Металлическое ядро печатной платы может быть размещено в середине поверхности под платой или на внешней задней стороне. Такая конструкция является единообразной для различных вариантов металлических печатных плат, включая как алюминиевые печатные платы, так и печатные платы с медным сердечником.
Металл обладает высокой теплопроводностью, что имеет решающее значение для печатной платы. Металлический сердечник играет важную роль в системах охлаждения, отводя тепло от основной электроники печатной платы к важным компонентам, таким как металлическая подложка радиатора или сердечник.
В зависимости от использования целевой электроники, печатные платы с металлическим сердечником могут быть односторонними или двухсторонними. Однако многослойные печатные платы с металлическим сердечником не получили широкого распространения из-за сложности процесса производства.
Типичные печатные платы имеют FR4 или CEM3, в то время как печатные платы с металлическим сердечником имеют металлические сердечники. Помимо рассеивания тепла, печатные платы с металлическим сердечником обеспечивают механическую стабильность и поддерживают электрическую изоляцию между слоями схемы и компонентами.
Материалы печатных плат с металлическим сердечником
Печатные платы с металлическим сердечником могут иметь алюминиевые, медные или металлические сердечники. В некоторых случаях металлические сердечники могут быть смесями различных специальных сплавов. Например, можно использовать латунь или сталь, но это не рекомендуется из-за их твердости, что затрудняет разбиение платы на множество частей.
Алюминиевый сердечник
Печатные платы с алюминиевым сердечником являются наиболее распространенным типом печатных плат с металлическим сердечником, которые более эффективно отводят тепло, вырабатываемое теплоемкими компонентами, от платы. Это способствует более равномерному распределению рассеивания тепла по всей печатной плате.
Медный сердечник
Некоторые печатные платы также имеют медные сердечники, которые улучшают теплопроводность и помогают снизить рабочие температуры внутри компонентов.
Хотя медь является отличным выбором для электронных устройств, склонных к перегреву, это дорогой вариант по сравнению с алюминием. Производители печатных плат с металлическим сердечником в основном используют медный сердечник в следующих ситуациях:
● Односторонний однослойный: Печатная плата, оснащенная однослойным пьедесталом из меди для охлаждения.
● Матрица термических переходов с медным заполнением: В металлических печатных платах отверстия, заполненные медью, просверливаются лазером, образуя сеть, которая улучшает теплопроводность по сравнению с обычными отверстиями.
● Двусторонний пьедестал: В двухсторонней печатной плате с двух сторон имеется медный пьедестал для более быстрого рассеивания тепла.
Структура и толщина печатной платы с металлическим сердечником
Структура типичной печатной платы с металлическим сердечником включает слой паяльной маски, диэлектрический слой и металлический сердечник в нижней части.
Верхние слои
Первый слой — это слой паяльной маски, за которым следует слой схемы и меди. Эти слои лежат на диэлектрике между ними, который является слоем металлического сердечника. Верхний слой медной пленки состоит из тонкой медной пленки с дорожками схемы. Толщина этого слоя составляет от 1 до 4 унций (унций на квадратный фут).
Диэлектрический слой
Самый внутренний слой действует как диэлектрический слой. Он изолирует металлический сердечник от медной пленки, одновременно облегчая передачу тепла между слоями.
Слой металлического сердечника
Металлическое ядро — самый нижний слой. Обычно используется алюминий, а его толщина составляет от 1 мм до 3.2 мм. Металлическое ядро — это теплоотвод, поглощающий тепло от теплогенерирующих компонентов и рассеивающий его. Это самый толстый слой в печатной плате, который придает плате жесткость и гарантирует, что печатная плата останется плоской.
Сведения о толщине и теплопроводности
Благодаря ядру печатная плата становится достаточно толстой, чтобы быть совместимой со всеми стандартными монтажными деталями, а открытая металлическая часть платы не покрывается поверхностным покрытием или паяльной маской.
Металлическое ядро печатной платы с металлическим ядром имеет высокую теплопроводность, обычно от 1 Вт/мК до 9 Вт/мК. Высокая теплопроводность в сочетании с тонким слоем изоляции толщиной около 100 мкм позволяет плате быстро передавать тепло.
Преимущества печатных плат с металлическим сердечником
Печатные платы с металлическим сердечником широко используются в электронных устройствах из-за их превосходных тепловых характеристик, лучшей емкостной связи и высокой электромагнитной защиты. Давайте рассмотрим преимущества печатных плат с металлическим сердечником более подробно:
1. Рассеивание тепла:
Металл известен своей высокой теплопроводностью, что делает MCPCB идеальными для устройств, сталкивающихся с проблемами нагрева. Компоненты облегчают передачу тепла по всему устройству, уменьшая локальные проблемы нагрева. Возможности теплопроводности делают печатные платы с металлическим сердечником идеальными для схем высокой мощности.
Эксперимент по производству тепла проводился на светодиодных светильниках мощностью 1 Вт, установленных либо на печатной плате с металлическим сердечником, либо на печатной плате FR-4. Перегрев практически не оказывал влияния на печатную плату с металлическим сердечником, в то время как печатная плата FR-4 перегревалась до 37°C.
2. Устойчивость и прочность:
Производители светодиодной техники, особенно производители светодиодного освещения высокой мощности, в последние годы стали обращать внимание на проблему перегрева.
Мощные электронные устройства склонны к сбоям в работе без эффективного механизма рассеивания тепла. Печатные платы с металлическим сердечником решают эту проблему, равномерно распределяя тепло по устройству через металлический сердечник, тем самым минимизируя повреждения от нагрева.
Алюминий — легкий материал, который обеспечивает прочность печатной платы, не увеличивая при этом вес всего электронного устройства, что делает печатную плату идеальной для мощного светодиодного освещения.
О PCBasic
Время — деньги в ваших проектах — и PCBasic получает это. PCБазовый - это компания по сборке печатных плат который обеспечивает быстрые и безупречные результаты каждый раз. Наш комплексный Услуги по сборке печатных плат включают экспертную инженерную поддержку на каждом этапе, гарантируя высочайшее качество каждой платы. Как ведущий производитель сборки печатных плат, мы предлагаем комплексное решение, которое оптимизирует вашу цепочку поставок. Сотрудничайте с нашими передовыми Завод по производству прототипов печатных плат для быстрого выполнения заказов и превосходных результатов, которым вы можете доверять.
3. Стабильность размеров:
Печатные платы с металлическим сердечником обладают относительно более высокой размерной стабильностью, чем печатные платы из традиционных материалов, таких как FR-4, особенно в условиях изменяющихся условий окружающей среды.
Например, металлический материал печатной платы, который подвергался нагреванию в диапазоне температур от 30°C до 150°C, продемонстрировал изменение размеров от 2.5% до 3.5% по сравнению с обычным материалом, который расширился примерно на 4%.
Однако печатные платы с металлическим сердечником, такие как алюминий или медь, благодаря своей превосходной термической стабильности могут эффективно противостоять этому термическому напряжению и сохранять постоянство при различных температурах. Эта стабильность снижает риск деформации печатной платы при высоких температурах.
4. Долголетие:
Традиционные печатные платы в основном изготавливаются из таких деликатных материалов, как керамика и стекловолокно, которые являются слабыми и разрушаемыми. С другой стороны, печатные платы с металлическим сердечником прочнее, благодаря металлическому сердечнику.
Металлические печатные платы снижают риск поломки или повреждения в процессе изготовления и сборки печатных плат. Они продлевают срок службы прибора.
Качество гарантирует, что печатная плата выдержит механическое давление во время производства. Прочность и прочность электроники гарантируют, что она не сломается при механическом напряжении.
5. Легкий и недорогой:
Варианты печатных плат с металлическим сердечником более легкие и, следовательно, экономически эффективные.
Алюминий легче поддается обработке, что делает его экономически эффективным выбором для подложек печатных плат, снижая затраты на производство плат на основе алюминия.
Таким образом, алюминиевые печатные платы представляют собой бюджетную альтернативу более громоздким и дорогим вариантам.
6. Высокая пригодность к вторичной переработке:
Алюминий — это перерабатываемый материал, который делает печатные платы с металлическим сердечником более экологичными и экономически эффективными. Это один из самых перерабатываемых материалов на земле. Его можно перерабатывать многократно без потери качества.
Различные типы печатных плат с металлическим сердечником
Печатные платы с металлическим сердечником подразделяются на различные типы в зависимости от различных положений металлического сердечника в MCPCB. Некоторые из различных типов печатных плат с металлическим сердечником включают:
Одиночный слой:
Как следует из названия, однослойная MCPCB состоит из одного медного проводящего слоя. За ним следует металлическая базовая пластина, которая делает плату жесткой.
Теплопроводящий слой схемы изолирует печатную плату, что делает ее пригодной для более простых применений, где перегрев не является проблемой.
Ядро обычно изготавливается из алюминия. Базовая структура однослойной печатной платы состоит из металлического ядра (обычно алюминиевого) и диэлектрического или изоляционного слоя. Такая структура лучше всего подходит для аудиоустройств, датчиков, упаковочного оборудования и автомобильных реле.
Двухсторонний:
Двусторонняя печатная плата состоит из двух слоев, при этом металлический сердечник расположен между этими медными слоями, соединенными между собой с помощью металлизированных сквозных отверстий (PTH), которые соединяют медные слои.
Производители печатных плат с металлическим сердечником могут использовать двухстороннюю сторону печатной платы для монтажа компонентов SMT и THT. Двухсторонние MCPCB используются в сложных схемах со слоями трассировки по обе стороны металлического сердечника.
Ламинирование двух медных слоев на медном сердечнике требует как материала, так и мастерства. Некоторые поставщики печатных плат с металлическим сердечником предоставляют предварительно ламинированные листы для металлического покрытия, что упрощает процесс.
Многослойный:
Как следует из названия, многослойная металлическая печатная плата содержит более двух проводящих слоев. Металлическое основание расположено внизу, что позволяет производителям монтировать свои компоненты только на одной стороне платы.
В многослойных печатных платах металлическое ядро располагается между другими слоями, с равным количеством слоев под и над ядром. Например, металлическая печатная плата с 12 слоями будет иметь ровно 6 слоев над и под своим металлическим ядром.
COB (чип-на-плате) MCPCB:
Микросхема MCPCB на плате используется, когда необходимо термоэлектрическое разделение. Они экономят место, при этом обеспечивая высокую производительность.
В стандартных металлических печатных платах между медными дорожками и металлическим сердечником имеется диэлектрический слой, который ограничивает теплопроводность за счет изолирующих свойств диэлектрического слоя.
С другой стороны, COB MCPCB имеют чип на металлическом сердечнике, что облегчает рассеивание тепла. Такая установка обеспечивает электрическое соединение между чипом и дорожками печатной платы.
Процессы производства печатных плат с металлическим сердечником
Печатные платы с металлическим сердечником изготавливаются так же, как и традиционные печатные платы, за исключением нескольких этапов, связанных с добавлением металлического сердечника.
Выбор материала
Процесс начинается с выбора подходящего материала для MCPCB в зависимости от того, где она будет использоваться. Применение конкретной печатной платы определяет, какой материал лучше всего подходит для сердечника, изоляционного слоя и медной фольги.
Выбор материала обычно основывается на требуемом уровне теплопроводности, диэлектрической проницаемости и механических свойствах.
Бурение
Перед размещением металла и маршрутизацией производители металлических сердечников сверлят металлические сердечники отверстиями с помощью сверлильных станков с компьютерным управлением, что обеспечивает максимальную согласованность и точность. Сверлильный станок автоматически выбирает нужное сверло и загружает сверлильную головку в станок.
Хотя сверлильные станки и могут похвастаться высокой скоростью сверления, это трудоемкий процесс, поскольку каждое отверстие необходимо сверлить по одному.
Отложение меди
Металлический сердечник покрыт тонким слоем меди. Это делается с помощью гальванопокрытия, процесса, включающего электролитическое покрытие металла.
Применение фоторезиста
Медные слои покрыты слоем оптически активной органической пленки, называемой фоторезистом. После воздействия УФ-излучения рисунок внешней пленки наносится на поверхность платы. Воздействие УФ-излучения на структуру через фотошаблон приводит к образованию рисунка медной дорожки.
Этчинг
Области, на которые не был нанесен фоторезист, протравливаются для удаления излишков меди, что оставляет рисунок медных дорожек нетронутым и устраняет излишки меди на плате.
Ламинирование изоляционного слоя
Высокотемпературный полимерный слой, также называемый слоем изоляции, ламинируется на металлический сердечник с обеих сторон. Этот шаг гарантирует, что медные дорожки покрыты слоем изоляции.
Применение паяльной маски
На обе стороны металлической печатной платы нанесен слой паяльной маски. Это защитный фотоформируемый слой лака, который защищает плату от повреждений, вызванных окислением и воздействием окружающей среды. Таким образом, плата остается защищенной от пыли и других компонентов.
Производители печатных плат с металлическим сердечником оставляют отверстия в слое паяльной маски для облегчения размещения компонентов и пайки.
Маршрутизация
Маршрутизация выполняется в конце производственного процесса для создания контура печатной платы. Обычно это делается с помощью станка с ЧПУ с компьютерным управлением или фрезерного инструмента, который сверлит внутренние вырезы или пазы. Станок запрограммирован на следование предопределенному пути в исходном файле инструмента.
Пыль, образующаяся во время фрезерования, собирается щеткой, расположенной около фрезерной головки. Она использует вакуумоподобную систему для всасывания пыли.
Применение отделки поверхности
Медные слои покрываются другим слоем металлического или органического материала, предназначенного для защиты открытых медных слоев от окисления и воздействия окружающей среды.
V-образный вырез
На последнем этапе производства выполняется V-образная насечка или V-образная канавка путем вырезания V-образной формы с обеих сторон печатной платы. Остается минимальное количество материала, что позволяет производителям печатных плат с металлическим сердечником отделить печатную плату от производственной панели.
Тестирование и проверка
Как и любой электрический компонент, печатную плату необходимо тестировать для обеспечения качества и правильного функционирования.
Производители печатных плат с металлическим сердечником выполняют электрические испытания печатных плат с использованием тестеров с летающими зондами для сложных печатных плат. Кроме того, они могут использовать универсальные тестеры сеток для тестирования больших партий печатных плат.
Hi-Pot тест
Этот тест проверяет, соответствует ли электрическая безопасность печатных плат с металлическим сердечником указанным характеристикам и стандартам изоляционных характеристик. Он включает измерение сопротивления изоляции и пробивного напряжения печатных плат.
Тест на надежность может также обнаружить дефекты в печатной плате, включая отверстия в изоляторе, сломанный или поврежденный изолятор или низкий электрический зазор между компонентами.
Факторы, влияющие на конструкцию печатной платы с металлическим сердечником
Производство металлических печатных плат включает оценку нескольких факторов для обеспечения оптимальной производительности и надежности. Сюда входят:
1. Теплопроводность
Чем выше теплопроводность материала сердечника, тем быстрее он рассеивает тепло от тепловыделяющего компонента электронного прибора.
В результате материал сердечника и его толщина зависят от потребляемой мощности прибора и скорости, с которой необходимо отводить тепло от прибора.
2. Диэлектрическая проницаемость
Производительность печатной платы с металлическим сердечником также зависит от типа изоляционного материала, который является диэлектрической проницаемостью в производстве печатных плат с медным сердечником. Изоляционный материал, помещенный между сердечником и медными слоями, имеет диэлектрическую проницаемость.
Диэлектрическая проницаемость влияет на проводимость металлической платы. Более высокая диэлектрическая проницаемость увеличивает емкость и передачу сигнала. Низкая диэлектрическая проницаемость снижает емкость металлической платы и передачу сигнала.
В зависимости от передачи сигнала, необходимого для конкретного применения, производитель печатных плат с металлическим сердечником выбирает изоляционный материал в соответствии с его диэлектрической проницаемостью.
3. Ширина и расстояние между дорожками
Пропускная способность по току и требования к напряжению конкретного приложения также определяют размер платы, а также расстояние, оставляемое между двумя дорожками. Таким образом, расстояние и ширина платы, вероятно, повлияют на эффективность.
4. Паяльная маска и шелкография
Паяльная маска и шелкография защищают медные слои платы. Они также помогают идентифицировать плату и компоненты с помощью окраски и маркировки. Цвет маски и шелкографии зависит от потребностей приложения.
5. Механическая устойчивость
MCPCB подвергаются ударам, вибрациям и значительным колебаниям температуры. Поэтому плата должна быть достаточно устойчивой, чтобы выдерживать механическое напряжение. Устойчивость платы зависит от типа используемого материала, толщины сердечника и выполненного соединения.
Учитывая эти факторы, крайне важно работать с опытным производителем MCPCB, который гарантирует, что печатная плата будет обеспечивать оптимальную производительность и соответствовать конкретным требованиям области применения.
Применение печатных плат с металлическим сердечником
Чтобы понять области применения металлических печатных плат, важно учитывать разницу между печатными платами из FR-4 и металлическими печатными платами.
Различные электронные приборы требуют для работы большого количества энергии. Они также генерируют значительное количество тепла, которое иногда может концентрироваться достаточно сильно, чтобы вызвать перегрев. В этом случае печатные платы с металлическим сердечником становятся превосходной альтернативой печатным платам FR-4.
Преимущества печатных плат с металлическим сердечником — быстрое охлаждение и эффективное рассеивание тепла для мощных приборов. Печатные платы из меди или алюминия обладают лучшей теплопроводностью и прочностью на разрыв, а также более высоким пробивным напряжением, что идеально подходит для быстронагревающихся приборов.
Ниже перечислены основные области применения и использования металлических печатных плат:
● Светодиодное освещение
● Твердотельные реле
● Поставщики электроэнергии
● Регуляторы напряжения
● Солнечные панели
● Фотоэлектрические элементы
● Управление двигателем в гибридных электромобилях.
Заключение
Печатные платы с металлическим сердечником широко используются в приложениях, где требуется эффективный отвод тепла, например, в светодиодном освещении, автомобильной электронике и силовой электронике, где перегрев может потенциально повредить приборы.
Металлический сердечник действует как радиатор, распределяя тепло в окружающую среду, в отличие от традиционных печатных плат с непроводящей подложкой, такой как FR4.
В целом, печатные платы с металлическим сердечником представляют собой надежное и эффективное решение для различных электронных приложений благодаря своим превосходным возможностям терморегулирования и механическим характеристикам.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
1. Какие металлические сердечники используются в металлических печатных платах?
Наиболее распространенные металлические сердечники, используемые в печатных платах, включают алюминиевые сердечники, поскольку они сравнительно дешевле других металлов. Кроме того, они также рассеивают тепло более эффективно, чем другие. Однако другие металлы, такие как медь и сталь, также могут использоваться в зависимости от сложности устройства.
2. Лучше ли печатные платы с металлическим сердечником, чем печатные платы FR4?
Да, печатные платы с металлическим сердечником превосходят обычные печатные платы FR4 с точки зрения повышенной теплопроводности, долговечности и улучшенной частоты. Но большинство производителей предпочитают FR4, а не металлические печатные платы, поскольку они дешевле, что способствует снижению затрат.
3. Почему печатные платы с металлическим сердечником так широко используются?
Одной из основных причин, по которой широко используются печатные платы с металлическим сердечником, является то, что они предохраняют ваши устройства от слишком быстрого нагрева. Металлический сердечник поглощает тепло и эффективно рассеивает его, гарантируя, что устройство останется защищенным от перегрева. Кроме того, эти печатные платы повышают теплопроводность, тем самым продлевая срок службы устройства.
4. Можно ли собирать печатные платы с металлическим сердечником с использованием стандартных процессов SMT?
Да, процессы SMT могут использоваться на печатных платах с металлическим сердечником. Однако процессы SMT подвержены тепловому коэффициенту расширения металла, отличному от коэффициента теплового расширения материала сердечника.
5. Являются ли печатные платы с металлическим сердечником более дорогими, чем стандартные печатные платы?
Металлические печатные платы отличаются материалами и процессом производства. Это делает печатные платы с металлическим сердечником более дорогими, чем стандартные платы. Однако печатные платы с металлическим сердечником являются достойной инвестицией из-за улучшенной производительности и надежности.
