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

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

Eccellenti proprietà meccaniche

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.

Leggerezza e alta affidabilità

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).

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

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

Punti tecnici chiave

• Trattamento dello strato isolante: Using a high thermal conductivity insulating medium (epoxy resin + ceramic filler), thickness 50-200μm
• 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: Thermal conductivity 1-3 W/m·K, insulation layer thermal resistance <0.5℃·in²/W
• Prestazioni elettriche: Withstand voltage ≥3000V, breakdown voltage ≥4KV
• Prestazioni meccaniche: Peel strength 1.0-1.5kgf/cm, passes 260℃ reflow soldering three-cycle test

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.
• Apply thermal via technology (a 6×6 array can reduce junction temperature by approximately 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.