Hvad er egenskaberne ved aluminiumbaserede printkort?

Hvad er et printkort med aluminiumsunderlag?

PCB'er med aluminiumsunderlag (metalbaserede printkort) er særlige printkort med en “sandwich”-struktur. Det øverste lag er et kredsløbslag af kobberfolie. Det midterste lag er et stærkt varmeledende isolerende lag (typisk lavet af epoxyharpiks blandet med keramisk pulver). Det nederste lag er et substrat af aluminiumslegering. Denne struktur opnår elektrisk isolering gennem det mellemliggende isolerende lag, samtidig med at den bruger aluminiums bedre varmeledningsevne til at forbedre varmeafledningseffektiviteten betydeligt. Den er specielt designet til at håndtere den varme, der produceres af elektroniske enheder med høj effekt.

Hovedtyper af printkort med aluminiumsunderlag

1. Enkeltlags aluminiumssubstrat: Den mest basale type, velegnet til enkel belysning og kredsløb med lav kompleksitet
2. Dobbeltlags aluminiumsunderlag: Kredsløbslag på begge sider, forbundet gennem metalliserede huller
3. Hybrid aluminium-substrat: Delvis brug af aluminiumsbaserede materialer, mens andre områder bruger konventionelle FR-4-materialer
4. Substrat af aluminium i flere lag: Kompleks struktur, der er velegnet til stærkt integrerede applikationer (f.eks. elektroniske moduler til biler)

Enestående fordele ved aluminiumssubstrater

Enestående termisk ydeevne

Aluminiumsunderlag har en varmeledningsevne på 1-3 W/m·K, hvilket er 5-10 gange højere end almindelige underlag. FR-4 printkort (0,3-0,5 W/m·K), der kan reducere temperaturen på varmeelementer med over 10 °C, hvilket forlænger komponenternes levetid betydeligt.

Fremragende mekaniske egenskaber

Aluminiumsunderlag har en overlegen slag- og vibrationsmodstand sammenlignet med almindelige printkort, med en termisk ekspansionskoefficient (CTE) tæt på siliciumchips (10-15 ppm/℃), hvilket reducerer deformation og forbindelsesfejl forårsaget af termisk belastning.

Letvægt og høj pålidelighed

Aluminiums densitet er lavere end kobbers, hvilket gør det velegnet til anvendelser, der kræver både varmeafledning og letvægtsdesign. Det giver også god elektrisk isoleringsevne (modstandsspænding ≥3000V).

Miljømæssige fordele og omkostningseffektivitet

Aluminiumsmaterialer er genanvendelige og opfylder miljøkrav. Selv om startomkostningerne er højere, kan de reducere eller endda eliminere behovet for yderligere kølelegemer, hvilket giver betydelige samlede omkostningsfordele.

Fremstillingsproces for aluminiumsunderlag

Det centrale procesflow

Skæring → Boring → Tørfilmbillede → Inspektion → Ætsning → Ætsningsinspektion → Loddemaske → Trykning af tekst → Loddemaskeinspektion → HASL (Hot Air Solder Leveling) → Overfladebehandling af aluminium → Stansning → Endelig inspektion → Emballering → Forsendelse

Vigtige tekniske punkter

• Behandling af isoleringslag: Anvendelse af et isoleringsmateriale med høj varmeledningsevne (epoxyharpiks + keramisk fyldstof), tykkelse 50-200 μm
• Valg af kobberfolie: Brug typisk 2-10 oz tyk kobberfolie for at reducere det aktuelle varmetab
• OverfladebehandlingUndgå høj temperatur HASL-processer for at forhindre skader på isoleringslaget

Hvornår skal du vælge et printkort med aluminiumsunderlag?

Passende applikationer

• Udstyr med høj effekttæthed og betydelig varmeudvikling (LED-belysning, strømmoduler)
• Anvendelser med store variationer i driftstemperatur (bilelektronik, udendørs udstyr)
• Produkter, der kræver miniaturiseret design, samtidig med at den termiske styring opretholdes
• Tilfælde, der kræver høj mekanisk stabilitet og pålidelighed

Uegnede anvendelser

• Scenarier med højfrekvent signaltransmission (>1 GHz) (FR-4-materialer er mere fordelagtige)
• Ekstremt omkostningsfølsomme applikationer med lavt strømforbrug
• Konventionelle elektroniske produkter uden yderligere kølebehov

Overvejelser om udvælgelse

Almindelige misforståelser om udvælgelse

1. Flere lag betyder bedre varmeafledning: Kræver overvejelse af design af varmekildefordeling; flerlagsstrukturer passer til multichipmoduler, mens enkeltlagsstrukturer er mere omkostningseffektive til enkle belysningsscenarier
2. Kun fokus på varmeledningsevne: Har brug for en omfattende evaluering af modstandsspænding, termisk modstand, mekanisk styrke og andre indikatorer
3. Velegnet til alle applikationer med høj effekt: FR-4 har stadig fordele i scenarier med højhastighedssignaloverførsel

Parametre for nøglevalg

• Termisk ydeevne: Varmeledningsevne 1-3 W/m·K, isoleringslagets termiske modstand <0,5℃·in²/W
• Elektrisk ydeevne: Modstå spænding ≥3000V, nedbrudsspænding ≥4KV
• Mekanisk ydeevne: Afskalningsstyrke 1,0-1,5 kgf/cm, består 260 ℃ reflow-lodning tre-cyklus test

Anvendelsesområder

1. LED-belysning: Kraftige LED-lamper, gadebelysning, belysningssystemer til biler
2. Elektrisk udstyrKoblingsregulatorer, DC/AC-omformere, strømkonverteringsmoduler
3. Elektronik til bilerElektroniske regulatorer, tændere, effektregulatorer
4. Industriel kontrolMotordrivere, effektmoduler, solid state-relæer
5. Audio-udstyrHøjeffektforstærkere, balancerede forstærkere, audio-udgangstrin
6. KommunikationsudstyrHøjfrekvensforstærkere, filterudstyr, transmissionskredsløb

Løsninger til optimering af varmeafledning på printkort med aluminiumsunderlag

Varmeafledningseffektiviteten kan forbedres yderligere gennem materialevalg, strukturelt design og procesoptimering:

• Brug 2-3 oz tyk kobberfolie for at udvide kontaktområdet med isoleringslaget
• Spred varmekomponenterne for at undgå et koncentreret layout
• Anvend termisk via-teknologi (en 6×6-matrix kan reducere krydstemperaturen med ca. 4,8 °C)
• Optimering af pad-designet og eksponering af kobber i bunden af chippen kan reducere den termiske modstand med 15-20 %.

Analyse af omkostninger

PCB'er med aluminiumsunderlag koster typisk 30-50 % mere end almindelige FR-4 PCB'er, hovedsageligt på grund af:

• Særlige materialeomkostninger (aluminiumsunderlag, isoleringslag med høj varmeledningsevne)
• Komplekse behandlingsteknikker og -krav
• Behov for specialiseret udstyr og teknisk personale

Enhedspriserne kan dog reduceres betydeligt ved produktion af store mængder (3.000+ stykker), og langsigtet pålidelighed kan føre til reducerede vedligeholdelsesomkostninger, hvilket opvejer den oprindelige investering.