Quali sono le caratteristiche dei PCB a base di alluminio?

Che cos'è un PCB con substrato di alluminio?

I circuiti stampati con substrato di alluminio (circuiti a base metallica) sono circuiti stampati speciali con una struttura a sandwich&#8221. Lo strato superiore è costituito da uno strato circuitale in lamina di rame. Lo strato intermedio è uno strato isolante altamente termoconduttivo (tipicamente fatto di resina epossidica mescolata con polvere di ceramica). Lo strato inferiore è un substrato in lega di alluminio. Questa struttura consente di ottenere l'isolamento elettrico attraverso lo strato isolante intermedio e di sfruttare la migliore conducibilità termica dell'alluminio per migliorare notevolmente l'efficienza di dissipazione del calore. È stata progettata appositamente per gestire il calore prodotto dai dispositivi elettronici ad alta potenza.

Tipi principali di PCB con substrato in alluminio

1. Substrato di alluminio monostrato: Il tipo più semplice, adatto a circuiti di illuminazione semplici e di bassa complessità.
2. Substrato di alluminio a doppio strato: Strati di circuito su entrambi i lati, collegati attraverso fori metallizzati
3. Substrato ibrido di alluminio: Utilizzo parziale di materiali a base di alluminio con altre aree che utilizzano materiali FR-4 convenzionali.
4. Substrato di alluminio multistrato: Struttura complessa adatta ad applicazioni altamente integrate (come i moduli elettronici automobilistici)

Vantaggi straordinari dei substrati di alluminio

Prestazioni termiche eccezionali

I substrati in alluminio offrono coefficienti di conducibilità termica di 1-3 W/m·K, 5-10 volte superiori a quelli ordinari. PCB FR-4 (0,3-0,5 W/m·K), in grado di ridurre la temperatura dei componenti di riscaldamento di oltre 10 °C, prolungando significativamente la durata dei componenti.

Eccellenti proprietà meccaniche

I substrati in alluminio dimostrano una resistenza agli urti e alle vibrazioni superiore rispetto ai normali PCB, con un coefficiente di espansione termica (CTE) simile a quello dei chip in silicio (10-15 ppm/℃), riducendo le deformazioni e i guasti di connessione causati dallo stress termico.

Leggerezza e alta affidabilità

La densità dell'alluminio è inferiore a quella del rame, rendendolo adatto per applicazioni che richiedono sia dissipazione del calore che design leggero. Offre inoltre buone prestazioni di isolamento elettrico (tensione di tenuta ≥3000V).

Benefici ambientali ed efficacia dei costi

I materiali in alluminio sono riciclabili e soddisfano i requisiti ambientali. Sebbene i costi iniziali siano più elevati, possono ridurre o addirittura eliminare la necessità di dissipatori di calore aggiuntivi, offrendo notevoli vantaggi in termini di costi complessivi.

Processo di produzione del substrato di alluminio

Flusso del processo principale

Taglio → Foratura → Imaging a film secco → Ispezione → Incisione → Ispezione dell'incisione → Maschera di saldatura → Stampa delle legende → Ispezione della maschera di saldatura → HASL (livellamento della saldatura ad aria calda) → Trattamento superficiale dell'alluminio → Punzonatura → Ispezione finale → Imballaggio → Spedizione

Punti tecnici chiave

• Trattamento dello strato isolante: Utilizzo di un mezzo isolante ad alta conducibilitàtermica(resina epossidica + riempitivo ceramico), spessore 50-200 μm
• Selezione di fogli di rame: In genere, utilizzare un foglio di rame di spessore compreso tra 2 e 10 oz per ridurre la dispersione di calore della corrente.
• Trattamento superficialeEvitare le alte temperature Processi HASL per evitare di danneggiare lo strato isolante

Quando scegliere un PCB con substrato in alluminio?

Applicazioni adatte

• Apparecchiature ad alta densità di potenza e con notevole generazione di calore (illuminazione a LED, moduli di potenza)
• Applicazioni con grandi variazioni di temperatura di esercizio (elettronica per autoveicoli, apparecchiature per esterni)
• Prodotti che richiedono un design miniaturizzato pur mantenendo la gestione termica
• Occasioni che richiedono elevata stabilità meccanica e affidabilità

Applicazioni non idonee

• Scenari di trasmissione di segnali ad alta frequenza (>1GHz) (i materiali FR-4 sono più vantaggiosi)
• Applicazioni a basso consumo estremamente sensibili ai costi
• Prodotti elettronici convenzionali senza requisiti di raffreddamento aggiuntivi

Considerazioni sulla selezione

Errori comuni di selezione

1. Più strati significano migliore dissipazione del calore: Richiede di prendere in considerazione la progettazione della distribuzione della fonte di calore; le strutture multistrato sono adatte a moduli multi-chip, mentre le strutture monostrato sono più convenienti per scenari di illuminazione semplici
2. Concentrarsi solo sulla conduttività termica: Necessità di una valutazione completa della tensione di tenuta, della resistenza termica, della resistenza meccanica e di altri indicatori.
3. Adatto a tutte le applicazioni ad alta potenza: L'FR-4 presenta ancora dei vantaggi negli scenari di trasmissione del segnale ad alta velocità.

Parametri di selezione dei tasti

• Prestazioni termiche: Conducibilità termica1-3 W/m·K, resistenza termicadello strato isolante <0,5℃·in²/W
• Prestazioni elettriche: Tensione di tenuta≥3000 V, tensionedi rottura ≥4 kV
• Prestazioni meccaniche: Resistenza allo strappo 1,0-1,5kgf/cm, supera il test di saldatura a rifusione a 260 °C per tre cicli.

Campo applicazione

1. Illuminazione a LED: Lampade LED ad alta potenza, lampioni, sistemi di illuminazione per autoveicoli
2. Apparecchiature di potenzaRegolatori a commutazione, convertitori CC/CA, moduli di conversione di potenza
3. Elettronica automobilisticaRegolatori elettronici, accenditori, controllori di potenza
4. Controllo industrialeDriver motore, moduli di potenza, relè a stato solido
5. Apparecchiature audioAmplificatori ad alta potenza, amplificatori bilanciati, stadi di uscita audio
6. Apparecchiature di comunicazioneAmplificatori ad alta frequenza, apparecchiature di filtraggio, circuiti di trasmissione

Soluzioni per l'ottimizzazione della dissipazione del calore dei PCB con substrato di alluminio

L'efficienza della dissipazione del calore può essere ulteriormente migliorata attraverso la selezione dei materiali, la progettazione strutturale e l'ottimizzazione del processo:

• Utilizzare un foglio di rame di 2-3 oz di spessore per espandere l'area di contatto con lo strato isolante
• Disperdere i componenti del riscaldamento per evitare una disposizione concentrata.
• Applicare la tecnologiatermica via (una matrice 6×6 può ridurre la temperatura di giunzione di circa 4,8 °C)
• L'ottimizzazione del design dei pad, che espone il rame sul fondo del chip, può ridurre la resistenza termica del 15%-20%.

Analisi dei costi

I PCB con substrato in alluminio costano in genere il 30%-50% in più rispetto ai normali PCB FR-4, principalmente a causa di:

• Costi dei materiali speciali (substrato di alluminio, strato isolante ad alta conducibilità termica)
• Tecniche e requisiti di elaborazione complessi
• Necessità di attrezzature e personale tecnico specializzato

Tuttavia, i prezzi unitari possono essere significativamente ridotti nella produzione di grandi volumi (oltre 3.000 pezzi) e l'affidabilità a lungo termine può portare a una riduzione dei costi di manutenzione, compensando l'investimento iniziale.