Mitkä ovat alumiinipohjaisten piirilevyjen ominaisuudet?

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

1. Yksikerroksinen alumiinisubstraatti: Yksinkertaisin tyyppi, joka soveltuu yksinkertaiseen valaistukseen ja vähän monimutkaisiin piireihin.
2. Kaksikerroksinen alumiinisubstraatti: Piirikerrokset molemmilla puolilla, yhdistetty metalloitujen reikien kautta.
3. Hybridialumiinisubstraatti: Alumiinipohjaisten materiaalien osittainen käyttö, muilla alueilla käytetään tavanomaisia FR-4-materiaaleja.
4. Monikerroksinen alumiinisubstraatti: Monimutkainen rakenne, joka soveltuu hyvin integroituihin sovelluksiin (kuten autojen elektroniikkamoduuleihin).

Alumiinialustojen erinomaiset edut

Poikkeuksellinen lämpösuorituskyky

Alumiinisubstraatit tarjoavat lämmönjohtavuuskertoimet 1–3 W/m·K, mikä on 5–10 kertaa enemmän kuin tavallisilla materiaaleilla. FR-4 PCB:t (0,3–0,5 W/m·K), joka pystyy alentamaan lämmityskomponenttien lämpötilaa yli 10 °C, mikä pidentää merkittävästi komponenttien käyttöikää.

Erinomaiset mekaaniset ominaisuudet

Alumiinisubstraatit ovat tavallisiin piirilevyihin verrattuna erittäin iskun- ja tärinänkestäviä, ja niiden lämpölaajenemiskerroin (CTE) on lähellä piisirujen arvoa (10–15 ppm/℃), mikä vähentää lämpörasituksesta johtuvia muodonmuutoksia ja liitäntäviat.

Kevyt ja korkea luotettavuus

Alumiinin tiheys on pienempi kuin kuparin, joten se sopii sovelluksiin, joissa vaaditaan sekä lämmön haihtumista että kevyttä rakennetta. Se tarjoaa myös hyvän sähköeristyskyvyn (kestää jännitteen ≥3000 V).

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

Leikkaus → Poraus → Kuivakalvokuvaus → Tarkastus → Etsaus → Etsauksen tarkastus → Juotosmaski → Merkintöjen tulostus → Juotosmaskin tarkastus → HASL (kuumailmalla tasoittaminen) → Alumiinipinnan käsittely → Lävistys → Lopputarkastus → Pakkaus → Lähetys

Tärkeimmät tekniset seikat

• Eristyskerroksen käsittely: Käyttämällä korkean lämmönjohtavuuden omaavaa eristysainetta (epoksihartsi + keraaminen täyteaine), paksuus 50–200 μm
• 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

1. Enemmän kerroksia tarkoittaa parempaa lämmöntuottoa: Monikerrosrakenteet sopivat monisirumoduuleille, kun taas yksikerrosrakenteet ovat kustannustehokkaampia yksinkertaisissa valaistusskenaarioissa.
2. Keskittyminen vain lämmönjohtavuuteen: Tarvitaan kattava arviointi kestävyysjännitteestä, lämmönkestävyydestä, mekaanisesta lujuudesta ja muista indikaattoreista.
3. Sopii kaikkiin suuritehoisiin sovelluksiin: FR-4:llä on edelleen etuja nopean signaalinsiirron skenaarioissa.

Keskeiset valintaparametrit

• Lämpötehokkuus: Lämmönjohtavuus 1–3 W/m·K, eristekerroksen lämpövastus <0,5 ℃·in²/W
• Sähköinen suorituskyky: Kestää jännitteen ≥3000 V, läpilyöntijännitteen ≥4 kV
• Mekaaninen suorituskyky: Kuorintalujuus 1,0–1,5 kgf/cm, läpäisee 260 °C:n kolmen syklin reflow-juotoskokeen

Sovelluskentät

1. LED-valaistus: Suuritehoiset LED-valaisimet, katuvalot, autojen valaistusjärjestelmät.
2. VoimalaitteetKytkentäsäätimet, DC/AC-muuntimet, tehomuunnosmoduulit.
3. Autoteollisuuden elektroniikkaElektroniset säätimet, sytyttimet, tehonsäätimet.
4. Teollinen ohjausMoottoriohjaimet, tehomoduulit, puolijohdereleet
5. ÄänentoistolaitteetSuuritehoiset vahvistimet, tasapainotetut vahvistimet, äänen ulostulovaiheet.
6. 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.
• Käytä lämpötekniikkaa (6×6-matriisi voi alentaa liitoskohdan lämpötilaa noin 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.