Силовые электронные системы, такие как DC-DC преобразователи, приводы двигателей, солнечные инверторы и импульсные источники питания, сталкиваются с растущими тепловыми проблемами из-за более высокой плотности мощности и более высоких скоростей переключения. Компоненты, такие как MOSFET и IGBT, рассеивают 5–50 Вт каждый, концентрируя тепло, которое должно поддерживаться ниже 150°C для обеспечения надежности.
Технология PCB на алюминиевой основе решает эти тепловые ограничения, позволяя создавать более компактные конструкции, достигающие целевых уровней мощности без необходимости в oversized радиаторах или сложных системах охлаждения. Это приводит к более высокой эффективности и производительности в силовых приложениях, обеспечивая надежную работу даже в demanding условиях.
Типы PCB на алюминиевой основе и их тепловые преимущества
PCB на алюминиевой основе — также известные как PCB с алюминиевой сердцевиной, PCB с металлической сердцевиной (MCPCB) или PCB с алюминиевой подложкой — обычно используются в высокомощных приложениях, где эффективное тепловое управление имеет crucial значение. Эти PCB включают термически проводящий алюминиевый слой в качестве базовой подложки, что позволяет эффективно рассеивать тепло. Эта технология essential для электронных систем, которые генерируют substantial тепло, таких как светодиодное освещение, автомобильная электроника и источники питания.
Различные типы PCB на алюминиевой основе:
- Односторонняя алюминиевая PCB: Этот тип имеет одну алюминиевую подложку с медным circuit слоем. Это наиболее распространенный выбор для приложений умеренной мощности, где важны экономическая эффективность и efficient рассеивание тепла.
- Двусторонняя алюминиевая PCB: Эта конфигурация позволяет проводить трассировку на обеих сторонах алюминиевой подложки, обеспечивая увеличенную плотность схем и улучшенное тепловое рассеивание, особенно в компактных конструкциях.
- Гибридная алюминиевая PCB: Комбинируя алюминий с другими материалами, этот тип используется для специализированных приложений, где как тепловые, так и электрические характеристики имеют paramount значение.
- Толстомедная алюминиевая PCB: Этот вариант использует более толстые медные слои (3 унции до 10 унций) для высокомощных приложений, требующих проведения больших токов и улучшенных возможностей распространения тепла.
Преимущества теплового управления:
PCB на алюминиевой основе превосходят традиционные платы FR4, предлагая значительно более высокую теплопроводность, часто в диапазоне 150–200 Вт/м·K, по сравнению с 0,3 Вт/м·K у FR4. Это позволяет эффективно рассеивать тепло от высокомощных компонентов, поддерживая более низкие температуры перехода и предотвращая перегрев.
Использование PCB на алюминиевой основе снижает зависимость от внешних механизмов охлаждения, таких как oversized радиаторы или системы принудительного воздушного охлаждения, приводя к более компактным и экономически эффективным конструкциям. С PCB на алюминиевой подложке системы могут достигать более высоких плотностей мощности без компромиссов в надежности или производительности, что делает их предпочтительным решением для отраслей, требующих высокоэффективной электроники.
Выбор спецификаций алюминиевой основы для силовых приложений
Оптимизация толщины подложки
1,5 мм Стандартная – Балансирует стоимость, тепловое распространение и механическую стабильность. Достаточно для распределенных силовых компонентов до плотности 3 Вт/см². Стандартный выбор для коммерческих источников питания и контроллеров двигателей до 500 Вт.
2,0 мм Улучшенная – Улучшенное боковое распространение тепла приносит пользу сосредоточенным источникам тепла (несколько MOSFET в небольшой области). Лучшая механическая жесткость для больших плат или монтажных напряжений. Требуется для автомобильных и промышленных приложений с требованиями к вибрации.
3,0 мм Максимальная – Самое низкое тепловое сопротивление для экстремальных плотностей мощности (>5 Вт/см²). Надбавка к стоимости 30–40% оправдана только тогда, когда тепловой анализ доказывает необходимость или площадь платы не может быть расширена.
Выбор теплопроводности диэлектрика
Стандартные диэлектрики 1,5–2,0 Вт/м·K подходят для приложений умеренной мощности (<50 Вт общего рассеивания). Высокопроизводительные материалы 3,0–5,0 Вт/м·K снижают тепловое сопротивление на 40–60%, но стоят на 50–100% дороже — оправданы для плотностей мощности 3–6 Вт/см² или когда ограничения размера ограничивают площадь алюминия.
Для MOSFET мощностью 10 Вт с целевым повышением температуры 25°C:
- Стандартный диэлектрик: Требуется 16–20 тепловых переходных отверстий (диаметр 0,4 мм)
- Высокопроизводительный диэлектрик: Достаточно 10–12 тепловых переходных отверстий
- Премиальный диэлектрик: 8–10 переходных отверстий достаточно
Выбор материала торгует начальной стоимостью против количества переходных отверстий, площади платы и сложности сборки.
Требования к толщине меди
2 унции Меди (Стандартная) – Достаточно для сигнальных дорожек и распределения мощности <10 А. Обеспечивает хорошее тепловое распространение от посадочных мест компонентов.
4–6 унций Меди (Тяжелая) – Требуется для путей тока 10–30 А. Уменьшает потери I²R, улучшая эффективность на 0,5–1,5%. Улучшает боковое распределение тепла перед вертикальной проводимостью через диэлектрик.
8–10 унций Меди (Экстремальная) – Необходима для токов, превышающих 50 А. Интеграция с технологией Толстомедная PCB обеспечивает комбинированную электрическую емкость и тепловое распространение. Увеличение стоимости на 40–80% оправдано для высокомощных приложений.
Соображения ЭМС с PCB на алюминиевой основе
Преимущества плоскости заземления
Алюминиевая основа обеспечивает присущее электромагнитное экранирование:
Низкоимпедансная ссылка: Металлическая подложка создает почти идеальную плоскость заземления, минимизируя индуктивность. Уменьшает излучение ЭМС в синфазном режиме и улучшает иммунитет к внешним помехам.
Эффект клетки Фарадея: Правильное заземление на шасси создает частичную клетку Фарадея, содержащую высокочастотный коммутационный шум внутри корпуса преобразователя. Приносит пользу соответствию ЭМС на системном уровне.
Заземление радиатора: Прямое крепление к заземленному радиатору обеспечивает как тепловые, так и электрические преимущества — одновременное рассеивание тепла и подавление ЭМС через единый интерфейс.
Методы компоновки для уменьшения ЭМС
Минимизация площади петли: Разместите драйвер затвора близко к выводу затвора MOSFET. Проведите трассы затвора away от шумочувствительных аналоговых схем. Алюминиевая плоскость заземления позволяет меньшие площади петель без проблем с отскоком земли, присутствующих в FR4.
Размещение демпферов: Разместите RC-демпферы непосредственно across выводов сток-исток MOSFET, минимизируя паразитную индуктивность. Теплопроводность алюминиевой подложки позволяет демпферам рассеивать коммутационную энергию без перегрева.
Расположение входного фильтра: Разместите буферные конденсаторы и компоненты фильтра ЭМС на противоположной стороне платы от коммутационных узлов, когда это возможно. Используйте алюминиевую подложку в качестве экрана между шумной силовой ступенью и тихими цепями управления.
Производство силовой электроники HILPCB с решениями PCB на алюминиевой основе
В HILPCB мы предлагаем комплексные услуги производства PCB и сборки для широкого спектра приложений, включая силовую электронику, такую как DC-DC преобразователи, приводы двигателей, солнечные инверторы и источники питания. Наш опыт охватывает все типы PCB, включая PCB на алюминиевой основе, PCB FR4, PCB с металлической сердцевиной и гибкие PCB, предоставляя надежные решения для даже самых demanding потребностей в тепловом управлении.
Наши специализированные услуги PCB включают:
- Интеграция толстой меди: Селективное гальваническое покрытие строит 4–10 унций меди в областях с высоким током, сохраняя 2 унции меди в сигнальных секциях. Это обеспечивает efficient рассеивание тепла и оптимизированную емкость по току для конструкций высокомощных PCB.
- Услуги заполнения переходных отверстий: Мы предлагаем эпоксидное заполнение для монтажа силовых устройств в переходное отверстие площадки, обеспечивая надежные паяные соединения и оптимальную теплопроводность, особенно для тепловых площадок на PCB на алюминиевой основе.
- Тепловой анализ: Наши моделирования методом конечных элементов (FEM) предсказывают температуры перехода в наихудших условиях. Мы проверяем тепловые характеристики для всех типов PCB, обеспечивая надежную работу даже в высокомощных и высокотемпературных средах.
- Высоковольтное тестирование: Мы проводим испытания на диэлектрический пробой, чтобы проверить изоляцию между схемой и подложкой, обеспечивая, чтобы все PCB, включая PCB на алюминиевой основе, соответствовали отраслевым стандартам для высоковольтных приложений.
- Автомобильная квалификация: Наши сертифицированные по IATF 16949 производственные процессы соответствуют строгим стандартам качества, требуемым для автомобильных приложений, обеспечивая полную прослеживаемость и документацию для поддержки требований PPAP для автомобильных поставщиков уровня 1.
Разрабатываете ли вы сетевые адаптеры для потребителей, промышленные приводы двигателей или автомобильные силовые модули, HILPCB предоставляет высококачественные услуги производства и сборки PCB для всех ваших потребностей в тепловом управлении и проектировании высокой мощности. Наши решения обеспечивают надежную, efficient производительность, уменьшая необходимость в oversized системах охлаждения и повышая общую надежность системы.