Современная электроника, от светодиодных драйверов до автомобильных инверторов и базовых станций 5G, выделяет значительное тепло в компактных пространствах. Традиционные платы FR4 плохо справляются с рассеиванием тепла, что приводит к отказам компонентов и снижению надежности системы.
Технология алюминиевых PCB предлагает решение, заменяя FR4 теплопроводящим алюминиевым основанием, улучшая теплопередачу в 600 раз и снижая температуру перехода на 30–50 °C. Это помогает продлить срок службы компонентов в 2–5 раз.
В HILPCB мы предоставляем широкий спектр решений для PCB, включая алюминиевые, с металлической сердцевиной, с толстой медью, HDI, гибкие и многое другое. Наш опыт в производстве PCB обеспечивает надежные тепловые и электрические решения, адаптированные к вашим конкретным потребностям.
Что такое алюминиевая печатная плата и как она улучшает тепловые характеристики
Алюминиевая PCB заменяет традиционный FR4 на основание из алюминиевого сплава, создавая трехслойную конструкцию, оптимизированную для теплового менеджмента:
Слой медной цепи (1–10 унций) переносит электрические сигналы и распределяет питание. Выбор толщины меди зависит от требований к току — стандартные 1–2 унции для сигналов, 3–6 унций для распределения мощности и до 10 унций для PCB с толстой медью для экстремальных применений, превышающих 50А.
Диэлектрический слой (толщиной 50–200 мкм) электрически изолирует медную цепь от металлического основания, одновременно проводя тепло вертикально. Этот слой использует полимерные композиты, наполненные керамическими частицами, достигая теплопроводности 1–5 Вт/м·K — что значительно выше, чем 0,3 Вт/м·K у FR4.
Алюминиевое основание (1,0–3,0 мм) обеспечивает три критически важные функции: распространение тепла с теплопроводностью 200 Вт/м·K, механическую поддержку для размерной стабильности и электромагнитное экранирование для снижения EMI.
Тепло течет вертикально через тонкий диэлектрический слой, затем распространяется laterally по алюминиевой подложке перед рассеиванием в радиаторы или окружающий воздух. Эта архитектура создает тепловую магистраль, поддерживающую безопасные температуры компонентов даже при непрерывной работе с высокой мощностью.
Ключевые тепловые преимущества алюминиевых печатных плат для мощной электроники
Превосходное рассеивание тепла по сравнению с платами FR4
Типичная PCB на алюминиевой подложке с диэлектриком 2 Вт/м·K и алюминиевым основанием 2 мм демонстрирует тепловое сопротивление примерно 1–2 °C/Вт для горячей точки площадью 1 см². Та же геометрия в FR4 показывает тепловое сопротивление, превышающее 20 °C/Вт — разница в производительности в 10–20 раз.
Для 10-ваттного компонента это означает повышение температуры перехода всего на 10–20 °C против более 200 °C в FR4 — разница между надежной работой и немедленным тепловым отказом.
Увеличенный срок службы компонентов благодаря эффективному охлаждению
Промышленные испытания на ускоренный срок службы демонстрируют экспоненциальные зависимости между рабочей температурой и долговечностью компонентов. Светодиоды высокой яркости, работающие при температуре перехода 85 °C, достигают срока службы 50 000+ часов. Те же светодиоды при 125 °C выходят из строя менее чем за 10 000 часов — сокращение срока службы на 80%.
Для силовых полупроводников каждое повышение температуры на 10 °C примерно вдвое сокращает ожидаемый срок службы согласно моделям ускорения Аррениуса. Поддерживая более низкие температуры перехода, конструкции алюминиевых PCB обеспечивают в 2–5 раз более длительный срок службы компонентов, снижая затраты на гарантию и повышая удовлетворенность клиентов.
Надежная работа при тепловых циклах в суровых условиях
Тепловые циклы создают механические напряжения из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения материалов. Алюминий соответствует меди гораздо лучше, чем FR4. Жесткое алюминиевое основание также ограничивает коробление во время температурных колебаний.
Эти факторы придают конструкциям алюминиевых печатных плат превосходную надежность в течение тысяч тепловых циклов — что критично в автомобильных применениях, испытывающих ежедневные колебания температуры от -40 °C до +125 °C.
Лучшие материалы для производства алюминиевых печатных плат
Лучшие алюминиевые сплавы, используемые в подложках PCB
- Алюминий AL1060: Экономичный, хорошая теплопроводность (~150 Вт/м·K), используется в маломощных приложениях.
- Алюминий AL3003: Умеренная прочность и теплопроводность (~160 Вт/м·K), подходит для общего светодиодного освещения.
- Алюминий AL5052: Отличная коррозионная стойкость, хорошая теплопроводность (~170 Вт/м·K), идеален для мощных светодиодов и автомобильных применений.
- Алюминий AL6061: Превосходная прочность и теплопроводность (~170–180 Вт/м·K), используется для требовательных применений, таких как мощная электроника и автомобильные системы.
Варианты диэлектрического слоя
- Стандартный тепловой (1,5–2,0 Вт/м·K): Экономичный, подходит для умеренных тепловых нагрузок.
- Высокопроизводительный (3–5 Вт/м·K): Для критических тепловых требований, предлагает лучшее управление теплом.
- Сверхвысокая проводимость (5+ Вт/м·K): Для экстремальных применений, таких как аэрокосмическая или военная техника.
Рекомендации по проектированию алюминиевых печатных плат для тепловой и электрической эффективности
Эффективные методы проектирования тепловых переходных отверстий
Тепловые переходные отверстия создают вертикальные тепловые пути от посадочных мест компонентов к алюминиевому основанию. Эффективная конструкция использует переходные отверстия диаметром 0,3–0,5 мм с медным покрытием 1 унция, расположенные на расстоянии 0,8–1,2 мм под мощными компонентами.
Шестиугольные узлы максимизируют покрытие для круглых компонентов, таких как светодиоды. Размещение переходных отверстий в площадке улучшает тепловые характеристики, но требует процессов заполнения или закрытия отверстий для предотвращения утечки припоя во время сборки.
Стратегии размещения компонентов для оптимального распределения тепла
Распределяйте мощные компоненты по площади платы, а не концентрируйте тепло в небольших областях. Соблюдайте минимальное расстояние 10–15 мм между компонентами, рассеивающими > 2 Вт каждый, чтобы предотвратить тепловую связь.
Размещайте чувствительные к температуре компоненты (эталоны напряжения, прецизионные резисторы, генераторы) на расстоянии не менее 20 мм от основных источников тепла. Распространение тепла алюминиевой подложкой означает, что тепловые эффекты распространяются на несколько сантиметров от силовых компонентов.
Проектирование медных дорожек для применений с высоким током
Расчеты ширины дорожек следуют рекомендациям IPC-2221, но выигрывают от улучшенного охлаждения, обеспечиваемого алюминиевой подложкой. Это позволяет увеличить плотность тока на 20–30 % для эквивалентного повышения температуры по сравнению с конструкциями FR4.
Для путей с высоким током, превышающим 10 А, используйте медные полигоны или широкие дорожки (> 3 мм), чтобы минимизировать падение напряжения и резистивный нагрев. Когда токи превышают 30–50 А, интеграция с технологией PCB с толстой медью обеспечивает необходимую токовую нагрузку.
Основные применения алюминиевых печатных плат в современных отраслях
Светодиодные системы освещения и мощные массивы Автомобильная электроника и силовые системы электромобилей Силовая электроника и промышленное оборудование Потребительская электроника Системы возобновляемой энергии Телекоммуникации и RF-системы Медицинские устройства и оборудование Освещение для коммерческого и жилого использования Умный дом и устройства IoT Аэрокосмическая и военная электроника
Производственные возможности PCB в HILPCB
В HILPCB мы предлагаем комплексный спектр решений для PCB, не ограничиваясь только алюминиевыми PCB. Наши возможности охватывают все типы PCB, включая FR4, алюминиевые PCB, PCB с металлической сердцевиной, PCB с толстой медью, гибкие PCB и HDI PCB. Независимо от того, нужны ли вам стандартные, высокопроизводительные или пользовательские решения, у нас есть опыт для их поставки.
Материалы
- Алюминиевые сплавы: Мы используем алюминиевые сплавы AL1060, AL3003, AL5052 и AL6061 с теплопроводностью от 150 Вт/м·K до 180 Вт/м·K, подходящие для различных потребностей теплового менеджмента в таких применениях, как светодиодное освещение, автомобилестроение и силовая электроника.
- Другие материалы: Мы также производим PCB с использованием материалов FR4, полиимида, PTFE и Rogers для высокочастотных и высокоскоростных применений.
Толщины меди
- Стандартная: 1–2 унции для сигнальных дорожек.
- Распределение питания: 3–6 унций для более высокой токовой нагрузки.
- Толстая медь: До 10 унций для применений с экстремальным током (таких как приводы двигателей, источники питания и т.д.). Узнайте больше о наших опциях PCB с толстой медью.
Поверхностные покрытия
- HASL, бессвинцовый HASL, ENIG, иммерсионное серебро, OSP и другие. Мы также предлагаем варианты паяльной маски белого/черного цвета, оптимизированные для светодиодных применений и других пользовательских требований.
Стандарты качества
- ISO 9001, UL, IPC-6012 Класс 2/3, RoHS/REACH и IATF 16949 (для автомобильных применений).
Наш процесс производства PCB обеспечивает стабильное качество, полную прослеживаемость материалов и комплексную тестовую документацию для соответствия стандартам квалификации клиентов.
ЧАВО об алюминиевых PCB
В1: В чем разница между алюминиевой PCB и PCB с металлической сердцевиной? Алюминиевая PCB конкретно использует алюминиевый сплав в качестве базовой подложки. PCB с металлической сердцевиной — это более широкий термин, охватывающий алюминиевые, медные или стальные подложки. Алюминий составляет более 95% PCB с металлической сердцевиной из-за оптимального баланса тепловых характеристик, веса и стоимости.
В2: Насколько снижается температура по сравнению с FR4? Типичные конструкции алюминиевых PCB снижают температуры перехода компонентов на 30–50 °C по сравнению с эквивалентными реализациями на FR4 при той же рассеиваемой мощности и площади платы. Фактические результаты зависят от плотности мощности, конструкции платы, качества теплового интерфейса и условий окружающей среды.
В3: Могу ли я использовать стандартное программное обеспечение для проектирования PCB? Да, проекты алюминиевых PCB используют стандартные EDA-инструменты. Ключевое отличие — определение слоев — правильно укажите диэлектрические слои и алюминиевое основание. Большинство производителей предоставляют шаблоны слоев для своих вариантов материалов.
В4: Совместимы ли алюминиевые PCB с SMT-монтажом? Да, полностью совместимы с автоматизированными процессами SMT-монтажа. Бóльшая тепловая масса требует небольших корректировок профиля оплавления — обычно пиковая температура на 5–10 °C выше или время выше ликвидуса на 10–20 секунд дольше для обеспечения полного формирования паяного соединения.
В5: Какой максимальный размер платы? Стандартное производственное оборудование обрабатывает алюминиевые PCB размером до 500 × 600 мм. Большие размеры требуют индивидуальной обработки и обращения. Практические ограничения также зависят от толщины — алюминий толщиной 2,0 мм и длиной 600 мм может потребовать поддержки во время обработки для предотвращения изгиба.