Quais são as caraterísticas dos PCB à base de alumínio?

O que é um PCB de substrato de alumínio?

As placas de circuito impresso com substrato de alumínio (placas de circuito com base em metal) são placas de circuito impresso especiais com uma estrutura em "sanduíche". A camada superior é uma camada de circuito de folha de cobre. A camada intermédia é uma camada isolante altamente condutora de calor (normalmente feita de resina epóxi misturada com pó de cerâmica). A camada inferior é um substrato de liga de alumínio. Esta estrutura consegue o isolamento elétrico através da camada isolante intermédia, ao mesmo tempo que utiliza a melhor condutividade térmica do alumínio&#8217 para melhorar consideravelmente a eficiência da dissipação de calor. Foi especialmente concebida para gerir o calor produzido por dispositivos electrónicos de alta potência.

Principais tipos de PCBs de substrato de alumínio

1. Substrato de alumínio de camada única: O tipo mais básico, adequado para iluminação simples e circuitos de baixa complexidade
2. Substrato de alumínio de camada dupla: Camadas de circuito em ambos os lados, ligadas através de orifícios metalizados
3. Substrato de alumínio híbrido: Utilização parcial de materiais à base de alumínio com outras áreas que utilizam materiais FR-4 convencionais
4. Substrato de alumínio multicamada: Estrutura complexa adequada para aplicações altamente integradas (como módulos electrónicos para automóveis)

Vantagens extraordinárias dos substratos de alumínio

Desempenho térmico excecional

Os substratos de alumínio oferecem coeficientes de condutividade térmica de 1-3 W/m-K, 5-10 vezes mais elevados do que os substratos de alumínio normais. PCBs FR-4 (0,3-0,5 W/m-K), capaz de reduzir as temperaturas dos componentes de aquecimento em mais de 10°C, aumentando significativamente a vida útil dos componentes.

Excelentes propriedades mecânicas

Os substratos de alumínio demonstram uma resistência superior ao impacto e à vibração em comparação com as PCB normais, com um coeficiente de expansão térmica (CTE) próximo dos chips de silício (10-15ppm/℃), reduzindo a deformação e as falhas de ligação causadas pelo stress térmico.

Leve e de elevada fiabilidade

A densidade do alumínio é inferior à do cobre, o que o torna adequado para aplicações que requerem dissipação de calor e um design leve. Também proporciona um bom desempenho de isolamento elétrico (tensão suportável ≥3000V).

Benefícios ambientais e relação custo-eficácia

Os materiais de alumínio são recicláveis, cumprindo os requisitos ambientais. Embora os custos iniciais sejam mais elevados, podem reduzir ou mesmo eliminar a necessidade de dissipadores de calor adicionais, oferecendo vantagens significativas em termos de custos globais.

Processo de fabrico de substrato de alumínio

Fluxo do processo principal

Corte → Perfuração → Imagem de película seca → Inspeção → Gravura → Inspeção de gravura → Máscara de solda → Impressão de legenda → Inspeção de máscara de solda → HASL (nivelamento de solda por ar quente) → Tratamento de superfície de alumínio → Perfuração → Inspeção final → Embalagem → Envio

Pontos técnicos fundamentais

• Tratamento da camada de isolamento: Utilização de um meio isolante de elevada condutividade térmica (resina epoxídica + carga cerâmica), espessura 50-200μm
• Seleção de folha de cobre: Normalmente, utilizar uma folha de cobre de 2-10 oz de espessura para reduzir a perda de calor da corrente
• Tratamento de superfícieEvitar temperaturas elevadas Processos HASL para evitar danos na camada de isolamento

Quando é que se deve escolher um PCB de substrato de alumínio?

Aplicações adequadas

• Equipamentos com elevada densidade de potência e produção de calor significativa (iluminação LED, módulos de potência)
• Aplicações com grandes variações de temperatura de funcionamento (eletrónica automóvel, equipamento de exterior)
• Produtos que requerem um design miniaturizado, mantendo a gestão térmica
• Ocasiões que exigem elevada estabilidade mecânica e fiabilidade

Aplicações inadequadas

• Cenários de transmissão de sinais de alta frequência (>1GHz) (os materiais FR-4 são mais vantajosos)
• Aplicações de baixo consumo extremamente sensíveis ao custo
• Produtos electrónicos convencionais sem necessidade de refrigeração adicional

Considerações sobre a seleção

Equívocos comuns sobre a seleção

1. Mais camadas significam melhor dissipação de calor: Requer que se considere a conceção da distribuição da fonte de calor; as estruturas multicamadas são adequadas para módulos com vários chips, enquanto as estruturas de camada única são mais económicas para cenários de iluminação simples
2. Concentrar-se apenas na condutividade térmica: Necessita de uma avaliação exaustiva da tensão suportável, da resistência térmica, da resistência mecânica e de outros indicadores
3. Adequado para todas as aplicações de alta potência: O FR-4 continua a ter vantagens em cenários de transmissão de sinais a alta velocidade

Parâmetros de seleção de chaves

• Desempenho térmico: Condutividade térmica 1-3 W/m-K, resistência térmica da camada de isolamento <0,5℃-in²/W
• Desempenho elétrico: Tensão de resistência ≥3000V, tensão de rutura ≥4KV
• Desempenho mecânico: Força de descascamento 1.0-1.5kgf / cm, passa 260 ℃ teste de três ciclos de solda por refluxo

Campos de aplicação

1. Iluminação LED: Lâmpadas LED de alta potência, luzes de rua, sistemas de iluminação automóvel
2. Equipamento elétricoReguladores de comutação, conversores CC/CA, módulos de conversão de energia
3. Eletrónica automóvelReguladores electrónicos, dispositivos de ignição, controladores de potência
4. Controlo industrialControladores de motor, módulos de potência, relés de estado sólido
5. Equipamento áudioAmplificadores de alta potência, amplificadores balanceados, estágios de saída de áudio
6. Equipamento de comunicaçãoAmplificadores de alta frequência, equipamentos de filtragem, circuitos de transmissão

Soluções de otimização da dissipação de calor de PCBs com substrato de alumínio

A eficiência da dissipação de calor pode ser melhorada através da seleção de materiais, da conceção estrutural e da otimização do processo:

• Utilize uma folha de cobre de 2-3 oz de espessura para expandir a área de contacto com a camada de isolamento
• Dispersar os componentes de aquecimento para evitar uma disposição concentrada
• Aplicar a tecnologia de via térmica (uma matriz de 6×6 pode reduzir a temperatura da junção em cerca de 4,8°C)
• A otimização do design das almofadas, expondo o cobre na parte inferior do chip, pode reduzir a resistência térmica em 15%-20%

Análise de custos

As PCB com substrato de alumínio custam normalmente entre 30% e 50% mais do que as PCB FR-4 normais, principalmente devido a

• Custos especiais de material (substrato de alumínio, camada de isolamento de elevada condutividade térmica)
• Técnicas e requisitos de processamento complexos
• Necessidade de equipamento e pessoal técnico especializado

No entanto, os preços unitários podem ser significativamente reduzidos na produção de grandes volumes (mais de 3.000 peças) e a fiabilidade a longo prazo pode levar a custos de manutenção reduzidos, compensando o investimento inicial.