Mikä on alumiinisubstraatti PCB?
Alumiinisubstraattipiirilevyt (metallipohjaiset piirilevyt) ovat erityisiä piirilevyjä, joissa on “sandwich” -rakenne. Pintakerros on kuparifoliopiirikerros. Keskimmäinen kerros on hyvin lämpöä johtava eristyskerros (tyypillisesti epoksihartsista, johon on sekoitettu keraamista jauhetta). Alin kerros on alumiiniseoksesta valmistettu substraatti. Tällä rakenteella saavutetaan sähköinen eristys eristävän välikerroksen avulla ja samalla käytetään alumiinin parempaa lämmönjohtavuutta, mikä parantaa huomattavasti lämmöntuottotehokkuutta. Se on suunniteltu erityisesti suuritehoisten elektronisten laitteiden tuottaman lämmön hallintaan.
Alumiinisubstraatin PCB: n päätyypit
- Yksikerroksinen alumiinisubstraatti: Yksinkertaisin tyyppi, joka soveltuu yksinkertaiseen valaistukseen ja vähän monimutkaisiin piireihin.
- Kaksikerroksinen alumiinisubstraatti: Piirikerrokset molemmilla puolilla, yhdistetty metalloitujen reikien kautta.
- Hybridialumiinisubstraatti: Alumiinipohjaisten materiaalien osittainen käyttö, muilla alueilla käytetään tavanomaisia FR-4-materiaaleja.
- Monikerroksinen alumiinisubstraatti: Monimutkainen rakenne, joka soveltuu hyvin integroituihin sovelluksiin (kuten autojen elektroniikkamoduuleihin).
Alumiinialustojen erinomaiset edut
Poikkeuksellinen lämpösuorituskyky
Aluminum substrates offer thermal conductivity coefficients of 1-3 W/m·K, 5-10 times higher than ordinary FR-4 PCB:t (0.3-0.5 W/m·K), capable of reducing heating component temperatures by over 10°C, significantly extending component service life.
Erinomaiset mekaaniset ominaisuudet
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.
Kevyt ja korkea luotettavuus
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).
Ympäristöhyödyt ja kustannustehokkuus
Alumiinimateriaalit ovat kierrätettäviä ja täyttävät ympäristövaatimukset. Vaikka alkukustannukset ovat korkeammat, ne voivat vähentää ylimääräisten jäähdytyslevyjen tarvetta tai jopa poistaa ne kokonaan, mikä tarjoaa merkittäviä kokonaiskustannushyötyjä.
Alumiinialustan valmistusprosessi
Ydinprosessin kulku
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
Tärkeimmät tekniset seikat
- Eristyskerroksen käsittely: Using a high thermal conductivity insulating medium (epoxy resin + ceramic filler), thickness 50-200μm
- Kuparifolion valinta: Käytä tyypillisesti 2-10oz paksua kuparifoliota nykyisen lämpöhäviön vähentämiseksi.
- PintakäsittelyVältä korkeita lämpötiloja HASL-prosessit eristekerroksen vaurioitumisen estämiseksi
Milloin sinun pitäisi valita alumiinisubstraatti PCB?
Sopivat sovellukset
- Laitteet, joiden tehotiheys on suuri ja jotka tuottavat paljon lämpöä (LED-valaisimet, tehomoduulit).
- Sovellukset, joissa käyttölämpötilan vaihtelut ovat suuria (autoelektroniikka, ulkolaitteet).
- Tuotteet, jotka vaativat miniatyrisoitua muotoilua säilyttäen samalla lämmönhallinnan
- Tilanteet, joissa vaaditaan suurta mekaanista vakautta ja luotettavuutta.
Soveltumattomat sovellukset
- Korkeataajuussignaalien lähetystilanteet (>1GHz) (FR-4-materiaalit ovat edullisempia)
- Erittäin kustannustehokkaat pienitehoiset sovellukset
- Tavanomaiset elektroniikkatuotteet ilman lisäjäähdytysvaatimuksia
Valintaa koskevat näkökohdat
Yleiset valintavirhekäsitykset
- Enemmän kerroksia tarkoittaa parempaa lämmöntuottoa: Monikerrosrakenteet sopivat monisirumoduuleille, kun taas yksikerrosrakenteet ovat kustannustehokkaampia yksinkertaisissa valaistusskenaarioissa.
- Keskittyminen vain lämmönjohtavuuteen: Tarvitaan kattava arviointi kestävyysjännitteestä, lämmönkestävyydestä, mekaanisesta lujuudesta ja muista indikaattoreista.
- Sopii kaikkiin suuritehoisiin sovelluksiin: FR-4:llä on edelleen etuja nopean signaalinsiirron skenaarioissa.
Keskeiset valintaparametrit
- Lämpötehokkuus: Thermal conductivity 1-3 W/m·K, insulation layer thermal resistance <0.5℃·in²/W
- Sähköinen suorituskyky: Withstand voltage ≥3000V, breakdown voltage ≥4KV
- Mekaaninen suorituskyky: Peel strength 1.0-1.5kgf/cm, passes 260℃ reflow soldering three-cycle test
Sovelluskentät
- LED-valaistus: Suuritehoiset LED-valaisimet, katuvalot, autojen valaistusjärjestelmät.
- VoimalaitteetKytkentäsäätimet, DC/AC-muuntimet, tehomuunnosmoduulit.
- Autoteollisuuden elektroniikkaElektroniset säätimet, sytyttimet, tehonsäätimet.
- Teollinen ohjausMoottoriohjaimet, tehomoduulit, puolijohdereleet
- ÄänentoistolaitteetSuuritehoiset vahvistimet, tasapainotetut vahvistimet, äänen ulostulovaiheet.
- ViestintälaitteetSuurtaajuusvahvistimet, suodatinlaitteet, siirtopiirit
Alumiinialustan PCB Heat Dissipation Optimization Solutions -ratkaisut
Lämmönsiirron tehokkuutta voidaan edelleen parantaa materiaalivalinnoilla, rakennesuunnittelulla ja prosessin optimoinnilla:
- Käytä 2-3oz paksua kuparifoliota laajentaaksesi kosketuspinta-alaa eristekerroksen kanssa.
- Hajauta lämmityskomponentit keskitetyn asettelun välttämiseksi.
- Apply thermal via technology (a 6×6 array can reduce junction temperature by approximately 4.8°C)
- Tyynyn suunnittelun optimointi, kuparin paljastaminen sirun pohjassa, voi vähentää lämpöresistanssia 15-20 %:lla
Kustannusanalyysi
Alumiinialustaiset piirilevyt maksavat tyypillisesti 30-50% enemmän kuin tavalliset FR-4 PCB: t, pääasiassa seuraavista syistä:
- Erityiset materiaalikustannukset (alumiinialusta, lämmönjohtavuudeltaan korkea eristekerros)
- Monimutkaiset käsittelytekniikat ja -vaatimukset
- Erikoislaitteiden ja teknisen henkilöstön tarve
Yksikköhintoja voidaan kuitenkin alentaa merkittävästi suurissa tuotantomäärissä (yli 3 000 kappaletta), ja pitkäaikainen luotettavuus voi johtaa pienempiin huoltokustannuksiin, mikä kompensoi alkuinvestoinnit.