Vodič za aluminijske PCB podloge: termalni dizajn i primjene sa LED diodama

Šta je aluminijski supstrat?

Jedan aluminijumska podloga je metal-core ploča obložena bakrom s dobrom disipacijom topline. Tipična jednostrana ploča ima tri sloja: sloj kruga (bakrena folija), dielektrični (izolacijski) sloj i metalni bazni sloj. Za vrhunske primjene postoje i dvostrane ploče s ovim slojevima: sloj kruga, dielektrični sloj, aluminijska podloga, dielektrični sloj, sloj kruga. Nekoliko posebnih slučajeva koristi višeslojne ploče izrađene laminiranjem običnih Višeslojna tiskanica s dielektričnim slojevima i aluminijskom bazom.

Kako funkcioniše aluminijski podloga

Pojasni dijelovi su montirani na sloj kola. Toplina koju dijelovi stvaraju brzo se prenosi kroz dielektrični sloj u metalnu podlogu. Metalna podloga zatim raspršuje i otpušta toplinu. Tako se dijelovi hlade.

Struktura aluminijskog podloge

Bakrena ploča obložena aluminijem je materijal metalne štampane ploče napravljen od bakrene folije, toplinski provodljivog dielektričnog sloja i metalne osnove. Tipična tri sloja su:

• Sloj kola (Sloj kola)Poput sloja obloženog bakrom na običnoj tiskanoj pločici. Debljina bakra kreće se od 1 oz do 10 oz (otprilike 35 µm do 280 µm). Bakar se gravira kako bi se oblikovao tiskani krug. Budući da ploča često mora voditi veće struje, koristi se deblji bakar.
• Dielektrični sloj (DIELEKTRICNI SLOJ): Izolacijski sloj niske toplotne otpornosti i toplotne provodljivosti. Ovo je osnovna tehnologija. Obično je riječ o posebnom polimeru ispunjavanom keramikom. Ima nisku toplotnu otpornost, dobra viskoelastična svojstva i otpornost na starenje uslijed toplote. Može podnijeti mehanički i toplotni stres. Ovaj sloj omogućava ploči da kombinira dobru toplotnu provodljivost i visoku električnu izolaciju.
• Osnovni sloj (OSNOVNI SLOJ): Metalna podloga, obično od aluminija ili ponekad od bakra (bakar ima bolju toplinsku provodljivost). Metalna podloga podupire ploču. Mora imati visoku toplinsku provodljivost i biti pogodna za bušenje, probijanje i rezanje.

U poređenju s tradicionalnim materijalima za štampane pločice, aluminijske podloge imaju očigledne prednosti: pogodne su za SMT montažu snagnih komponenti bez zasebnog hladnjaka, smanjuju veličinu proizvoda, pružaju izvrsno hlađenje, a istovremeno zadržavaju dobru izolaciju i mehaničku čvrstoću.

Performanse aluminijskih podloga

• Podržite tehnologiju površinskog montažiranja (SMT).
• Vrlo učinkovito raspršivanje topline u dizajnu kola.
• Niža radna temperatura, veća gustoća snage i pouzdanost te duži vijek trajanja.
• Smanjiti veličinu proizvoda i smanjiti troškove hardvera i montaže.
• Zamijenite lomljivo keramički supstrati s boljom mehaničkom izdržljivošću.

Proizvodne mogućnosti (tipične specifikacije procesa)

Stavka	Sposobnost / Specifikacija
Tipovi ploča	Aluminijumska podloga, bakrena podloga, željezna podloga
Završna obrada površine	Ugrađeno zlato (ENIG), sprej za srebro, posuda za uranjanje, hemijsko srebro, OSP
Slojevi	Jednostrani, dvostrani, četveroslojni
Maksimalna veličina	1185 mm × 480 mm
Minimalna veličina	5 mm × 5 mm
Min linija/razmak	0,1 mm
Iskrivljenje ploče	≤ 0,51 TP3T (za debljinu 1,6 mm, veličinu 300 mm × 300 mm)
Obradena debljina	0,3 – 5,0 mm
Debljina bakra	35 µm – 240 µm
Stvaranje tolerancije	±0,15 mm
Preciznost poravnanja V-reza	±0,1 mm
Proizvodni kapacitet	7000 m² / mjesec
Odstupanje položaja rupe	±0,076 mm
Formiranje primjera tolerancije	Kontura iz CNC obrade: ±0,1 mm; kontura probijanja/kalupa: ±0,15 mm

Pojmovi procesa i objašnjenja

• Bočno graviranje: Graviranje koje se događa na bočnom zidu ispod uzorka rezista. Bočno graviranje mjeri se bočnom širinom graviranja. Ovisno je o vrsti gravirajućeg sredstva, sastavu, procesu i opremi.
• Faktor žarenja: Omjer debljine provodnika (ne računajući prevlaku) i količine bočnog izlaganja. Faktor izlaganja = V / X (V = debljina provodnika, X = bočno izlaganje). Viši faktor izlaganja znači manje bočnog izlaganja. Tanke staze visoke gustoće zahtijevaju visok faktor izlaganja.
• Proširenje pozadinskog sloja (proširenje pozadinskog sloja)Tokom platinga uzoraka metalni sloj može biti deblji od rezista, što povećava širinu tragova. Debljina sloja pri platingu zavisi od debljine rezista i ukupne debljine platinga i treba je minimizirati.
• Izbočina oplate (preklop oplate): Zbir debljine taloženja i bočnog izlaganja. Ako ne postoji debljina taloženja, projekcija taloženja jednaka je količini bočnog izlaganja.
• Stopa graviranjaDubina metala rastvorenog etsnom po jedinici vremena (obično µm/min) ili vrijeme potrebno za uklanjanje zadane debljine.
• Kapacitet otapanja bakra: Količina bakra koju otapač može otopiti pri zadanoj brzini graviranja. Obično se navodi u g/L. Svaki otapač ima fiksni kapacitet otapanja bakra.

Pakovanje za aluminijske podloge (LED pakovanje)

LED ambalaža Omogućava LED čipu platformu za poboljšanje optičkih, električnih i toplinskih performansi. Dobro pakovanje povećava efikasnost LED-a i raspršivanje toplote, što produžava vijek trajanja. Dizajn LED pakovanja zasniva se na pet ključnih faktora: efikasnost optičkog izdvajanja, toplinska otpornost, rasipanje snage, pouzdanost i isplativost (Lm/$).

Svi faktori su važni. Optička ekstrakcija utječe na trošak po lumenu. Toplinska otpornost utječe na pouzdanost i vijek trajanja. Rasipanje snage utječe na primjenu kod kupca. Dobra ambalaža uravnotežuje ove faktore i zadovoljava potrebe kupaca.

Obično se jednostruki ili dvostruki aluminijumski substrati koriste kao hladnjaci. Jedan ili više čipova se direktno prikači na aluminijumsku (ili bakarnu) podlogu. p i n elektrode čipa su žicom spojene na tanki sloj bakra na površini substrata. Broj čipova na ploči zavisi od potrebne snage; pakovanja se mogu kombinovati kako bi se napravile visokosilne LED diode od 1 W, 2 W i 3 W. Na kraju se materijal visokog indeksa loma preša ili nanosi preko LED dioda u skladu s optičkim dizajnom.

Aluminijske bazične metalne legure

Uobičajene aluminijske serije koje se koriste za podloge su serije 1000, 5000 i 6000:

• Serija 1000Primjeri 1050, 1060, 1070. To su gotovo čisti aluminij (≥ 99% Al). Jednostavni su za proizvodnju i jeftini. Široko se koriste u općoj industriji.
• serija 5000Primjeri 5052, 5005, 5083, 5A05. To su legure aluminij-magnezijuma (Mg ~3–5%). Imaju nisku gustoću, visoku čvrstoću na istezanje i dobru izduženost. Težina je manja za istu površinu. Koriste se u avijaciji (rezervoari za gorivo) i u općoj industrijskoj upotrebi.
• serija 6000Primjer 6061. Sadržeći magnezij (Mg) i silicij (Si), ova serija kombinuje prednosti serija 4000 i 5000. Može se termički obrađivati, ima dobru otpornost na koroziju, dobre karakteristike za obradu i premazivanje te visoku čvrstoću. Koristi se u dijelovima zrakoplova, dijelovima kamera, spojnicama, brodskim armaturama, hardveru, elektroničkim dijelovima i konektorima.

LED aluminijski supstrat naspram PCB aluminijskog supstrata

LED aluminijske podloge su specijalizirane za LED industriju i omogućile su primjenu toplinskih otvodnika. One nude visoku toplinsku provodljivost, nisku toplinsku otpornost, dug vijek trajanja i otpornost na napon. LED aluminijske podloge proširile su primjenu LED-a, kao što su indikatorska svjetla na uređajima, automobilska prednja svjetla, ulična rasvjeta i veliki vanjski natpisi.

Temperaturna provodljivost na LED aluminijskim pločama u velikoj mjeri ovisi o srednjem dielektriku (često toplinski provodljivom polimeru ili toplinskom ljepilu). Temperaturna provodljivost, toplinska otpornost i otpornost na napon tri su ključne mjere kvaliteta. Nakon laminacije, temperaturna provodljivost se mjeri instrumentima. Keramički i bakreni materijali imaju veću temperaturnu provodljivost, ali troškovi ograničavaju većinu tržišta na aluminijske podloge. Više vrijednosti temperaturne provodljivosti obično znače bolje performanse.

LED aluminijski supstrat je u suštini štampana pločica čiji je supstratni materijal aluminijska legura umjesto FR-4 staklo-epoksida.

Cijene aluminijskih podloga

Zahvaljujući poboljšanjima u proizvodnoj tehnologiji i opremi, cijene aluminijskih podloga postale su pristupačnije. Dobavljači obično ne objavljuju cijene javno. Kontaktirajte dobavljača (npr. Yifang Electronics) za konkretnu ponudu.

Vrijeme isporuke aluminijskih podloga

(A) Bilješke za planiranje narudžbi

• Vrijeme isporuke: Prototipiranje 3–5 dana; masovna proizvodnja 5–7 dana.
• Zahtjevi za kvalitetu: Razjasnite detalje kupca (veličinu, debljinu, proces, fakturu, dostavu, posebne zahtjeve).
• Planiranje saradnje: Potvrdite da li će biti naknadne volumenske narudžbe ili dugoročna saradnja.

(B) Načini za ubrzanje sporih rokova isporuke

• Održavajte zalihu uobičajenih aluminijskih podloga.
• Dodajte dnevne i noćne smjene kako biste ubrzali proizvodnju.
• Dogovoriti prilagođene rokove isporuke s kupcima.

Aluminijumske podloge visoke toplotne provodljivosti i toplotna provodljivost

Temperaturna provodnost je ključni parametar za rasipanje toplote i jedna od tri glavne metrike kvaliteta (ostale su toplotni otpor i otpornost na napon). Temperaturna provodnost se mjeri nakon laminacije. Keramika i bakar imaju veću provodnost, ali zbog troškova aluminij je najčešće korišten. Temperaturna provodnost je osnovni parametar; veće vrijednosti obično znače bolje performanse.

Aluminijumske podloge kombinuju dobre toplotne i električne izolacione osobine, kao i dobre mogućnosti mehaničke obrade. Široko se koriste u LED i drugim elektronskim dizajnima. Termički dizajn LED dioda često koristi CFD (računarsku dinamiku fluida) simulaciju i osnovne toplotne proračune, koji su važni u proizvodnji podloga.

Otpor protoku fluida (hidraulički otpor) posljedica je viskoznosti fluida i čvrstih granica. Obuhvata trenje duž puta protoka i lokalni otpor pri naglim promjenama (naglim promjenama presjeka, koljenima).

Tipični koraci u dizajnu LED hladnjaka:

1. Dizajn profila hladnjaka pod ograničenjima.
2. Optimizirajte debljinu rebra, oblik rebra, razmak rebara i debljinu podloge prema pravilima dizajna hladnjaka.
3. Provjerite izračune kako biste osigurali da performanse hlađenja zadovoljavaju ciljeve.

Termalni dizajn za aluminijske podloge

(A) Zašto je termalni dizajn neophodan

Visoka temperatura oštećuje elektroniku: izolacija se razgrađuje, komponente otkazuju, materijali stare, lemni spojevi niske topljivosti pucaju, a lemni spojevi otpadaju.

Uticaj temperature na komponente:

• Viša temperatura smanjuje vrijednost otpornika.
• Visoka temperatura skraćuje vijek trajanja kondenzatora.
• Visoka temperatura pogoršava izolaciju transformatora i prigušnice; dozvoljena temperatura često je < 95 °C.
• Prekomjerne promjene temperature utiču na međumetalne spojeve (IMC) u lemu, čineći spojeve krhkim i slabijim.
• Viša temperatura spojnice (Tj) povećava pojačanje tranzistora, povećavajući struju kolektora i dodatno povećavajući Tj, što može dovesti do kvara.

(B) Cilj termalnog dizajna

Držite sve komponente ispod njihovih maksimalno nazivnih temperatura u očekivanom radnom okruženju. Maksimalne dozvoljene temperature proizlaze iz analize opterećenja i moraju odgovarati ciljevima pouzdanosti proizvoda i dodijeljenim stopama kvara za svaku komponentu.

(C) Rješenja za termalne probleme

Toplina LED dioda predstavlja veliki problem. Aluminijske podloge, s visokom toplinskom provodljivošću, mogu efikasno odvlačiti toplinu. Dizajn treba držati PCB blizu aluminijske osnove i smanjiti toplinsku otpornost nastalu potapanjem ili upotrebom enkapsulanata.

Popravak i održavanje aluminijskih PCB-ova

Tipični koraci popravke za tehničara štampanih pločica:

1. Analiza grešakaIdentificirajte i sužite kvar na ploči.
2. Vizuelni pregled: Prouči ulaze/izlaze, funkcije i kontrolne regije.
3. Testiranje kruga: Izvršite početne testove kako biste isključili široke greške i usmjerili popravke.
4. Testiranje komponentiČesto odsolderaju dijelove i testiraju ih opremom; to može oštetiti izgled vanjske strane ploče, pa tehničari izbjegavaju nepotrebno uklanjanje.
5. Popravak kvara: Popraviti tragove, zamijeniti dijelove ili izmijeniti kola.
6. Funkcionalni testTestirajte popravljenu ploču i pokrenite sistemske testove nakon što prođete električne provjere.

Obrada otpada za aluminijske podloge

PCB-ovi su napravljeni od staklenih vlakana, epoksida i mnogih metalnih spojeva. Nepravilno odlaganje korištenih aluminijskih ploča može osloboditi brominirane usporivače plamena i druge kancerogene tvari, uzrokujući ozbiljno zagađenje i zdravstvene rizike. Istovremeno, otpadne ploče imaju veliku ekonomsku vrijednost: sadržaj metala može biti višestruko veći od onog u prirodnom rudnom sirovcu. Sadržaj metala može biti 10–60%, uglavnom bakar, plus zlato, srebro, nikl, kalaj, olovo i rijetki metali. U prirodnom rudnom sirovcu udio metala iznosi samo oko 3–5%.

Studije pokazuju da jedna tona računarskih dijelova može sadržavati otprilike 0,9 kg zlata, 270 kg plastike, 128,7 kg bakra, 1 kg željeza, 58,5 kg olova, 39,6 kg kalaja, 36 kg nikla, 19,8 kg antimonija, kao i paladij i platinu. Stoga se otpadni štampani pločici nazivaju “rudnicima koje treba razviti”.”

Istraživanja pokazuju da se većina otpadnih PCB-ova i otpadnih okvira šalje u udaljena područja radi spaljivanja ili pranja vodom, što uzrokuje ozbiljno sekundarno zagađenje:

• Sagorijevanje proizvodi jake mirise i toksične brominirane spojeve. To je zabranjeno od strane nadležnih tijela za zaštitu okoliša, ali se i dalje događa u udaljenim područjima.
• Pranje vodom je jeftino, jednostavno i široko rasprostranjeno. Ono stvara veliku količinu ostataka (nemetala, ~80% težine ploče). Ti ostaci su teško zbrinuti, i mnoge kompanije ih odlažu kao opći otpad.

Primjene i karakteristike aluminijskih podloga

(A) Značajke aplikacije

• Izvrsna toplotna provodljivost.
• Jednostrana bakrena ploča znači da se komponente mogu postaviti samo na bakirenu stranu.
• Ne mogu se otvoriti otvori za žice kao na jednostranim pločama za jumper-e.
• Obično se koristi za površinski montažirane uređaje; ispravljači ili snage uređaji odvajaju toplinu preko baze, što osigurava nisku toplotnu otpornost i visoku pouzdanost.
• Transformatori mogu koristiti ravne SMD oblike i raspršivati toplinu kroz podlogu, što rezultira manjim porastom temperature i većim izlazom za istu veličinu.

(B) Bilješke o ručnom lemljenju

Budući da aluminijski podlozi dobro provode toplinu, ručno lemljenje male veličine može prebrzo ohladiti kalaj i uzrokovati probleme. Praktični savjeti:

1. Koristite kućni peglu s podesivom temperaturom. Okrenite je tako da ravna površina bude okrenuta prema gore i učvrstite je.
2. Postavite temperaturu na oko 150 °C i nakratko zagrijte aluminijsku ploču.
3. Zatim postavite i zalemite dijelove kao i obično. Koristite temperaturu koja olakšava lemljenje — previsoka može oštetiti dijelove ili uzrokovati delaminaciju bakra, preniska daje loše lemne spojeve. Podesite po potrebi.