Что такое печатная плата с алюминиевой подложкой?
Печатные платы на алюминиевой подложке (платы на металлической основе) - это специальные печатные платы, имеющие структуру “сэндвича”. Верхний слой представляет собой слой печатной платы из медной фольги. Средний слой - высокотеплопроводный изоляционный слой (обычно из эпоксидной смолы, смешанной с керамическим порошком). Нижний слой - подложка из алюминиевого сплава. Такая структура обеспечивает электрическую изоляцию благодаря промежуточному изоляционному слою, при этом алюминий обладает лучшей теплопроводностью, что значительно повышает эффективность отвода тепла. Она специально разработана для управления теплом, выделяемым мощными электронными устройствами.
Основные типы печатных плат с алюминиевой подложкой
- Однослойная алюминиевая подложка: Самый простой тип, подходит для простого освещения и схем низкой сложности
- Двухслойная алюминиевая подложка: Печатные слои с обеих сторон, соединенные через металлизированные отверстия
- Гибридная алюминиевая подложка: Частичное использование материалов на основе алюминия, в других областях используются обычные материалы FR-4
- Многослойная алюминиевая подложка: Сложная структура, подходящая для высокоинтегрированных приложений (например, автомобильных электронных модулей)
Выдающиеся преимущества алюминиевых подложек
Исключительные тепловые характеристики
Алюминиевые подложки обладают коэффициентом теплопроводности 1–3 Вт/м·К, что в 5–10 раз выше, чем у обычных подложек. Печатные платы FR-4 (0,3-0,5 Вт/м·К), способная снизить температуру нагреваемых компонентов более чем на 10 °C, что значительно продлевает срок их службы.
Отличные механические свойства
Алюминиевые подложки демонстрируют превосходную ударопрочность и виброустойчивость по сравнению с обычными печатными платами, а их коэффициент теплового расширения (CTE) близок к коэффициенту кремниевых микросхем (10-15 ppm/℃), что снижает деформацию и отказы соединений, вызванные термическими нагруз
Легкий вес и высокая надежность
Плотность алюминия ниже, чем у меди, что делает его подходящим для применений, требующих как отвода тепла, так и легкой конструкции. Он также обеспечивает хорошие электроизоляционные характеристики (выдерживаемое напряжение ≥3000 В).
Экологические преимущества и экономическая эффективность
Алюминиевые материалы подлежат вторичной переработке, что отвечает экологическим требованиям. Несмотря на более высокую первоначальную стоимость, они позволяют сократить или даже устранить необходимость в дополнительных радиаторах, обеспечивая значительную общую экономию.
Процесс производства алюминиевых подложек
Основной технологический процесс
Резка → Сверление → Сухая печать → Проверка → Травление → Проверка травления → Паяльная маска → Печать надписей → Проверка паяльной маски → HASL (выравнивание паяльной маски горячим воздухом) → Обработка алюминиевой поверхности → Штамповка → Окончательная проверка → Упаковка → Отгрузка
Ключевые технические моменты
- Обработка изоляционного слоя: Использование изоляционного материала с высокой теплопроводностью (эпоксидная смола + керамический наполнитель), толщина 50-200 мкм.
- Выбор медной фольги: Обычно используют медную фольгу толщиной 2-10 унций для уменьшения тепловых потерь.
- Обработка поверхностейИзбегайте высоких температур Процессы HASL для предотвращения повреждения изоляционного слоя
Когда следует выбирать печатную плату с алюминиевым основанием?
Подходящие области применения
- Оборудование с высокой плотностью мощности и значительным тепловыделением (светодиодное освещение, силовые модули)
- Области применения с большими колебаниями рабочих температур (автомобильная электроника, наружное оборудование)
- Изделия, требующие миниатюрного дизайна при сохранении теплового режима
- Области применения, требующие высокой механической стабильности и надежности
Непригодные применения
- Сценарии передачи высокочастотных сигналов (>1 ГГц) (более предпочтительны материалы FR-4)
- Чрезвычайно чувствительные к цене приложения с низким энергопотреблением
- Обычные электронные изделия, не требующие дополнительного охлаждения
Соображения по выбору
Распространенные заблуждения при выборе
- Больше слоев означает лучший теплоотвод: Требует рассмотрения вопроса о распределении источников тепла; многослойные структуры подходят для многочиповых модулей, в то время как однослойные структуры более экономичны для простых сценариев освещения
- Ориентируясь только на теплопроводность: Необходима комплексная оценка выдерживаемого напряжения, термостойкости, механической прочности и других показателей
- Подходит для всех высокомощных приложений: FR-4 по-прежнему сохраняет свои преимущества в сценариях высокоскоростной передачи сигналов
Основные параметры выбора
- Тепловые характеристики: Теплопроводность 1-3 Вт/м·К, тепловое сопротивление изоляционного слоя <0,5℃·дюйм²/Вт
- Электрические характеристики: Выдерживаемое напряжение ≥3000 В, пробивное напряжение ≥4 кВ
- Механические характеристики: Прочность на отрыв 1,0-1,5 кгс/см, проходит трехцикловое испытание пайкой переплавлением при 260 °C.
Поля применения
- Светодиодное освещение: Мощные светодиодные лампы, уличные фонари, автомобильные системы освещения
- Силовое оборудованиеКоммутационные регуляторы, преобразователи DC/AC, модули преобразования энергии
- Автомобильная электроникаЭлектронные регуляторы, зажигалки, контроллеры питания
- Промышленный контрольДрайверы двигателей, силовые модули, твердотельные реле
- АудиотехникаУсилители высокой мощности, балансные усилители, выходные аудиокаскады
- Оборудование связиВысокочастотные усилители, фильтровальное оборудование, передающие цепи
Решения по оптимизации теплоотвода печатной платы на алюминиевой подложке
Эффективность теплоотдачи может быть дополнительно повышена за счет выбора материала, конструктивного исполнения и оптимизации процесса:
- Используйте медную фольгу толщиной 2-3 унции, чтобы увеличить площадь контакта с изоляционным слоем
- Распределите нагревательные элементы, чтобы избежать концентрированной компоновки
- Применение технологии Thermal Via (матрица 6×6 может снизить температуру перехода примерно на 4,8 °C)
- Оптимизация дизайна прокладок, обнажающих медь на дне чипа, позволяет снизить тепловое сопротивление на 15-20 %.
Анализ затрат
Печатные платы на алюминиевой подложке обычно стоят на 30-50% дороже обычных печатных плат FR-4, в основном из-за:
- Особые материальные затраты (алюминиевая подложка, изоляционный слой с высокой теплопроводностью)
- Сложные технологии и требования к обработке
- Необходимость в специализированном оборудовании и техническом персонале
Однако при крупносерийном производстве (3 000+ штук) цена за единицу продукции может быть значительно снижена, а долгосрочная надежность может привести к снижению затрат на обслуживание, что компенсирует первоначальные инвестиции.