¿Cuáles son las características de los PCB con base de aluminio?

¿Qué es una placa de circuito impreso con sustrato de aluminio?

Las placas de circuito impreso con sustrato de aluminio (placas de circuito impreso con base metálica) son placas de circuito impreso especiales con una estructura tipo sándwich. La capa superior es un circuito de lámina de cobre. La capa intermedia es una capa aislante de alta conductividad térmica (normalmente de resina epoxi mezclada con polvo cerámico). La capa inferior es un sustrato de aleación de aluminio. Esta estructura consigue el aislamiento eléctrico a través de la capa aislante intermedia, al tiempo que utiliza la mejor conductividad térmica del aluminio para mejorar enormemente la eficacia de la disipación del calor. Está especialmente diseñado para gestionar el calor producido por dispositivos electrónicos de alta potencia.

Principales tipos de PCB de sustrato de aluminio

1. Sustrato de aluminio monocapa: El tipo más básico, adecuado para iluminación sencilla y circuitos de baja complejidad.
2. Sustrato de aluminio de doble capa: Capas de circuito en ambas caras, conectadas a través de orificios metalizados
3. Sustrato híbrido de aluminio: Uso parcial de materiales a base de aluminio con otras áreas que utilizan materiales FR-4 convencionales.
4. Sustrato de aluminio multicapa: Estructura compleja adecuada para aplicaciones muy integradas (como módulos electrónicos de automoción)

Ventajas destacadas de los sustratos de aluminio

Rendimiento térmico excepcional

Aluminum substrates offer thermal conductivity coefficients of 1-3 W/m·K, 5-10 times higher than ordinary Placas de circuito impreso FR-4 (0.3-0.5 W/m·K), capable of reducing heating component temperatures by over 10°C, significantly extending component service life.

Excelentes propiedades mecánicas

Aluminum substrates demonstrate superior impact and vibration resistance compared to regular PCBs, with a thermal expansion coefficient (CTE) close to silicon chips (10-15ppm/℃), reducing deformation and connection failures caused by thermal stress.

Ligereza y alta fiabilidad

Aluminum’s density is lower than copper’s, making it suitable for applications requiring both heat dissipation and lightweight design. It also provides good electrical insulation performance (withstand voltage ≥3000V).

Beneficios medioambientales y rentabilidad

Los materiales de aluminio son reciclables, por lo que cumplen los requisitos medioambientales. Aunque los costes iniciales son más elevados, pueden reducir o incluso eliminar la necesidad de disipadores de calor adicionales, lo que ofrece importantes ventajas de coste global.

Proceso de fabricación de sustratos de aluminio

Flujo del proceso central

Cutting → Drilling → Dry Film Imaging → Inspection → Etching → Etch Inspection → Solder Mask → Legend Printing → Solder Mask Inspection → HASL (Hot Air Solder Leveling) → Aluminum Surface Treatment → Punching → Final Inspection → Packaging → Shipping

Puntos técnicos clave

• Tratamiento de la capa aislante: Using a high thermal conductivity insulating medium (epoxy resin + ceramic filler), thickness 50-200μm
• Selección de láminas de cobre: Normalmente, utilice una lámina de cobre de 2-10 oz de espesor para reducir la pérdida de calor actual
• Tratamiento superficialEvite las altas temperaturas Procesos HASL para evitar daños en la capa aislante

¿Cuándo elegir una placa de circuito impreso con sustrato de aluminio?

Aplicaciones adecuadas

• Equipos con alta densidad de potencia y gran generación de calor (iluminación LED, módulos de potencia)
• Aplicaciones con grandes variaciones de temperatura de funcionamiento (electrónica del automóvil, equipos de exterior)
• Productos que requieren un diseño miniaturizado manteniendo la gestión térmica
• Ocasiones que exigen una gran estabilidad mecánica y fiabilidad

Aplicaciones inadecuadas

• Escenarios de transmisión de señales de alta frecuencia (>1GHz) (los materiales FR-4 son más ventajosos)
• Aplicaciones de bajo consumo extremadamente sensibles a los costes
• Productos electrónicos convencionales sin necesidad de refrigeración adicional

Consideraciones sobre la selección

Errores comunes en la selección

1. Más capas significan mejor disipación del calor: Requiere tener en cuenta el diseño de la distribución de la fuente de calor; las estructuras multicapa son adecuadas para módulos multichip, mientras que las estructuras monocapa son más rentables para escenarios de iluminación sencillos.
2. Centrarse sólo en la conductividad térmica: Necesidad de una evaluación exhaustiva de la tensión soportada, la resistencia térmica, la resistencia mecánica y otros indicadores.
3. Adecuado para todas las aplicaciones de alta potencia: El FR-4 sigue ofreciendo ventajas en la transmisión de señales a alta velocidad

Parámetros clave de selección

• Rendimiento térmico: Thermal conductivity 1-3 W/m·K, insulation layer thermal resistance <0.5℃·in²/W
• Rendimiento eléctrico: Withstand voltage ≥3000V, breakdown voltage ≥4KV
• Rendimiento mecánico: Peel strength 1.0-1.5kgf/cm, passes 260℃ reflow soldering three-cycle test

Campos de aplicación

1. Iluminación LED: Lámparas LED de alta potencia, farolas, sistemas de iluminación para automóviles
2. Equipamiento eléctricoReguladores de conmutación, convertidores CC/CA, módulos de conversión de potencia
3. Electrónica automotrizReguladores electrónicos, encendedores, controladores de potencia
4. Control industrialControladores de motor, módulos de potencia, relés de estado sólido
5. Equipos de audioAmplificadores de alta potencia, amplificadores balanceados, etapas de salida de audio
6. Equipos de comunicaciónAmplificadores de alta frecuencia, equipos de filtrado, circuitos de transmisión

Soluciones de optimización de la disipación de calor en placas de circuito impreso con sustrato de aluminio

La eficiencia de la disipación del calor puede mejorarse aún más mediante la selección de materiales, el diseño estructural y la optimización del proceso:

• Utilice una lámina de cobre de 2-3oz de espesor para ampliar el área de contacto con la capa aislante
• Disperse los componentes de calefacción para evitar una disposición concentrada
• Apply thermal via technology (a 6×6 array can reduce junction temperature by approximately 4.8°C)
• La optimización del diseño de las almohadillas, exponiendo el cobre en la parte inferior del chip, puede reducir la resistencia térmica entre un 15% y un 20%.

Análisis de costes

Las placas de circuito impreso con sustrato de aluminio suelen costar entre un 30% y un 50% más que las placas FR-4 normales, debido principalmente a:

• Costes de material especiales (sustrato de aluminio, capa aislante de alta conductividad térmica)
• Técnicas y requisitos de procesamiento complejos
• Necesidad de equipos especializados y personal técnico

Sin embargo, los precios unitarios pueden reducirse significativamente en la producción de grandes volúmenes (más de 3.000 piezas), y la fiabilidad a largo plazo puede dar lugar a una reducción de los costes de mantenimiento, lo que compensa la inversión inicial.