Průvodce hliníkovým substrátem PCB: Tepelný design a použití LED

Co je to hliníkový substrát?

Jeden hliníkový podklad Jedná se o desku s měděným povlakem a kovovým jádrem, která se vyznačuje dobrým odvodem tepla. Typická jednostranná deska má tři vrstvy: vrstvu s obvody (měděná fólie), dielektrickou (izolační) vrstvu a kovovou základní vrstvu. Pro špičkové aplikace existují také oboustranné desky s tímto uspořádáním: vrstva obvodu, dielektrická vrstva, hliníková základna, dielektrická vrstva, vrstva obvodu. V několika zvláštních případech se používají vícevrstvé desky vyrobené laminováním běžných vícevrstvá deska plošných spojů s dielektrickými vrstvami a hliníkovou základnou.

Jak funguje hliníkový substrát

Výkonové součástky jsou umístěny na vrstvě s obvody. Teplo vznikající v těchto součástkách se rychle šíří přes dielektrickou vrstvu do kovové základny. Kovová základna pak teplo rozvádí a odvádí. Takto dochází k chlazení součástek.

Struktura hliníkového podkladu

Měděná deska s hliníkovým pláštěm je materiál pro kovové desky plošných spojů, který se skládá z měděné fólie, tepelně vodivé dielektrické vrstvy a kovového podkladu. Typické tři vrstvy jsou:

• Obvodová vrstva (CIRCUIT LAYER): Stejně jako měděná vrstva běžné desky plošných spojů. Tloušťka mědi se pohybuje v rozmezí od 1 oz do 10 oz (přibližně 35 µm až 280 µm). Měď se leptáním tvaruje do podoby tištěného obvodu. Vzhledem k tomu, že deska často musí vést vyšší proudy, používá se silnější měď.
• Dielektrická vrstva (DIELECTRIC LAYER): Izolační vrstva s nízkým tepelným odporem a vysokou tepelnou vodivostí. Jedná se o klíčovou technologii. Obvykle se jedná o speciální polymer plněný keramickými částicemi. Vyznačuje se nízkým tepelným odporem, dobrými viskoelastickými vlastnostmi a odolností proti stárnutí vlivem tepla. Je schopna snášet mechanické i tepelné namáhání. Díky této vrstvě deska kombinuje dobrou tepelnou vodivost s vysokou elektrickou izolací.
• Spodní vrstva (BASE LAYER): Kovová základna, obvykle z hliníku, někdy i z mědi (měď má lepší tepelnou vodivost). Kovová základna slouží jako podklad pro desku. Musí mít vysokou tepelnou vodivost a musí být vhodná pro vrtání, děrování a řezání.

Ve srovnání s tradičními materiály pro desky plošných spojů mají hliníkové substráty zřejmé výhody: jsou vhodné pro povrchovou montáž výkonových součástek bez nutnosti samostatného chladiče, zmenšují rozměry výrobku, zajišťují vynikající chlazení a zároveň si zachovávají dobrou izolační schopnost i mechanickou pevnost.

Výkonnostní vlastnosti hliníkových podkladů

• Podpora technologie povrchové montáže (SMT).
• Velmi účinné rozložení tepla v konstrukci obvodu.
• Nižší provozní teplota, vyšší výkonová hustota a spolehlivost a delší životnost.
• Zmenšit rozměry výrobku a snížit náklady na hardware a montáž.
• Vyměnit křehké keramické podklady s vyšší mechanickou odolností.

Výrobní kapacity (typické specifikace procesů)

Položka	Vlastnosti / Specifikace
Typy desek	Hliníkový podklad, měděný podklad, železný podklad
Povrchová úprava	Zlato nanášené ponorem (ENIG), sprejová plechovka, ponorná plechovka, chemické stříbro, OSP
Vrstvy	Jednostranný, oboustranný, čtyřvrstvý
Maximální velikost	1185 mm × 480 mm
Minimální velikost	5 mm × 5 mm
Minimální řádek/mezera	0,1 mm
Deformace desky	≤ 0,51 TP3T (pro tloušťku 1,6 mm, rozměry 300 mm × 300 mm)
Zpracovaná tloušťka	0,3 – 5,0 mm
Tloušťka mědi	35 µm – 240 µm
Tolerance tvaru	±0,15 mm
Přesnost vyrovnání s V-výřezem	±0,1 mm
Výrobní kapacita	7 000 m² za měsíc
Odchylka polohy otvoru	±0,076 mm
Příklady tvarových tolerancí	Obrys vyfrézovaný na CNC: ±0,1 mm; obrys vyražený razníkem a matricí: ±0,15 mm

Termíny a vysvětlivky k procesu

• Boční leptání: Leptání, k němuž dochází na boční stěně pod maskovacím vzorem. Boční leptání se měří podle šířky bočního leptání. Závisí na typu leptacího roztoku, jeho složení, procesu a použitém zařízení.
• Faktor leptání: Poměr tloušťky vodiče (bez pokovení) k míře bočního leptání. Leptací faktor = V / X (V = tloušťka vodiče, X = boční leptání). Vyšší leptací faktor znamená menší boční leptání. Jemné vodiče s vysokou hustotou vyžadují vysoký leptací faktor.
• Rozšíření desky (rozšíření desky): Při pokovování podle vzoru může být kovová vrstva silnější než fotorezist, což vede ke zvětšení šířky vodivých drah. Nárůst pokovovací vrstvy souvisí s tloušťkou fotorezistu a celkovou tloušťkou pokovovací vrstvy a je třeba jej minimalizovat.
• Přesah pokovení: Součet nárůstu pokovení a bočního leptání. Pokud nedochází k nárůstu pokovení, vyčnívá pokovení o stejnou vzdálenost jako je hloubka bočního leptání.
• Rychlost leptání: Hloubka kovu odstraněná leptadlem za jednotku času (obvykle v µm/min) nebo doba potřebná k odstranění dané tloušťky.
• Kapacita rozpuštění mědi: Množství mědi, které je leptadlo schopno při dané rychlosti leptání rozpustit. Obvykle se udává v g/l. Každé leptadlo má pevně danou schopnost rozpouštět měď.

Balení pro hliníkové substráty (balení LED)

Balení LED diod poskytuje čipu LED platformu pro zlepšení optických, elektrických a tepelných vlastností. Kvalitní pouzdro zvyšuje účinnost LED a odvod tepla, čímž prodlužuje její životnost. Návrh pouzdra LED vychází z pěti klíčových faktorů: účinnosti optického výstupu, tepelného odporu, odvodu tepla, spolehlivosti a nákladové efektivity (Lm/$).

Všechny faktory hrají důležitou roli. Optický výtěžek ovlivňuje cenu za lumen. Tepelný odpor ovlivňuje spolehlivost a životnost. Odvod tepla ovlivňuje použití u zákazníka. Kvalitní konstrukce těchto faktorů dosahuje rovnováhy a splňuje požadavky zákazníků.

Jako chladiče se obvykle používají jednovrstvé nebo dvouvrstvé hliníkové substráty. Jeden nebo více čipů se připevňuje metodou die-attach přímo na hliníkovou (nebo měděnou) základnu. Elektrody p a n čipu se připojují drátovým spojem k tenké měděné vrstvě na povrchu substrátu. Počet čipů na desce závisí na požadovaném výkonu; balíčky lze kombinovat a vytvořit tak vysoce výkonné LED diody o výkonu 1 W, 2 W nebo 3 W. Nakonec se na LED diody podle optického návrhu nanese nebo vytlačí materiál s vysokým indexem lomu.

Třídy hliníkových základních kovů

Mezi běžné řady hliníku používané pro podklady patří řady 1000, 5000 a 6000:

• řada 1000: Typy 1050, 1060, 1070. Jedná se o téměř čistý hliník (≥ 99,1 % Al). Jejich výroba je snadná a jsou cenově dostupné. Široce se používají v průmyslu obecně.
• řada 5000: Příklady 5052, 5005, 5083, 5A05. Jedná se o slitiny hliníku a hořčíku (Mg ~3–5 %). Vyznačují se nízkou hustotou, vysokou pevností v tahu a dobrou tažností. Hmotnost je nižší při stejné ploše. Používají se v letectví (palivové nádrže) a v průmyslu obecně.
• řada 6000: Příklad 6061. Tato řada obsahuje Mg a Si a kombinuje výhody řad 4000 a 5000. Je tepelně zpracovatelná, má dobrou odolnost proti korozi, dobré vlastnosti pro obrábění a povrchovou úpravu a vysokou pevnost. Používá se v leteckých dílech, dílech fotoaparátů, spojkách, lodním kování, železářském zboží, elektronických součástech a konektorech.

Hliníkový substrát s LED vs. hliníkový substrát s deskou plošných spojů

Hliníkové substráty pro LED jsou určeny speciálně pro LED průmysl a nacházejí uplatnění zejména v aplikacích s aktivním chlazením. Vyznačují se vysokou tepelnou vodivostí, nízkým tepelným odporem, dlouhou životností a odolností vůči napětí. Hliníkové substráty pro LED rozšířily možnosti využití LED, například v kontrolkách na spotřebičích, automobilových světlometech, pouličním osvětlení a velkých venkovních reklamních nápisech.

Tepelná vodivost hliníkových desek pro LED diody závisí do značné míry na mezivrstvě (často se jedná o tepelně vodivý polymer nebo tepelně vodivé lepidlo). Tepelná vodivost, tepelný odpor a napěťová odolnost jsou tři klíčové ukazatele kvality. Po laminování se tepelná vodivost měří pomocí přístrojů. Keramické a měděné materiály mají vyšší tepelnou vodivost, ale kvůli ceně se většina trhů omezuje na hliníkové substráty. Vyšší hodnoty tepelné vodivosti obvykle znamenají lepší výkon.

Hliníkový substrát pro LED diody je v podstatě deska plošných spojů, jejíž substrát je vyroben ze slitiny hliníku namísto sklo-epoxidového materiálu FR-4.

Ceny hliníkových podkladů

Díky zdokonalení výrobních technologií a vybavení se ceny hliníkových podkladů staly přijatelnějšími. Dodavatelé ceny obvykle nezveřejňují. Pro konkrétní cenovou nabídku se obraťte na dodavatele (např. Yifang Electronics).

Dodací lhůta pro hliníkové podklady

(A) Poznámky k plánování objednávek

• Dodací lhůta: výroba prototypů 3–5 dní; sériová výroba 5–7 dní.
• Požadavky na kvalitu: Ujasněte si podrobnosti týkající se zákazníka (rozměry, tloušťka, způsob zpracování, fakturace, doprava, zvláštní požadavky).
• Plánování spolupráce: Ověřte, zda budou následovat další objemové zakázky nebo zda dojde k dlouhodobé spolupráci.

(B) Způsoby, jak zkrátit dlouhé dodací lhůty

• Mějte vždy na skladě běžné hliníkové podklady.
• Zaveďte denní a noční směny, abyste urychlili výrobu.
• Dohodněte se se zákazníky na upravených termínech dodání.

Hliníkové substráty s vysokou tepelnou vodivostí a tepelná vodivost

Tepelná vodivost je klíčovým parametrem pro odvod tepla a jedním ze tří hlavních ukazatelů kvality (dalšími jsou tepelný odpor a napěťová odolnost). Tepelná vodivost se měří po laminování. Keramika a měď mají vyšší vodivost, avšak z důvodu nákladů se nejčastěji používá hliník. Tepelná vodivost je klíčovým parametrem; vyšší hodnoty obvykle znamenají lepší výkon.

Hliníkové substráty se vyznačují dobrými tepelně-izolačními a elektrickými vlastnostmi a zároveň dobrou obrobitelností. Nacházejí široké uplatnění v LED a dalších elektronických konstrukcích. Při návrhu tepelného řešení LED se často využívá simulace CFD (výpočetní dynamika tekutin) a základní tepelné výpočty, které hrají důležitou roli při výrobě substrátů.

Odpor proudění tekutiny (hydraulický odpor) je způsoben viskozitou tekutiny a pevnými hranicemi. Zahrnuje třecí odpor podél dráhy proudění a lokální odpor v místech náhlých změn (náhlé změny průřezu, kolena potrubí).

Typické kroky při navrhování chladiče pro LED diody:

1. Navrhněte profil chladiče s ohledem na dané podmínky.
2. Optimalizujte tloušťku žeber, jejich tvar, rozteč mezi žebry a tloušťku podkladu v souladu s konstrukčními pravidly pro chladiče.
3. Zkontrolujte výpočty, abyste se ujistili, že chladicí výkon odpovídá stanoveným cílům.

Tepelné dimenzování hliníkových desek

(A) Proč je tepelné dimenzování nezbytné

Vysoká teplota poškozuje elektroniku: dochází k degradaci izolace, poruchám součástek, stárnutí materiálů, praskání pájených spojů s nízkou teplotou tavení a odpadávání pájených spojů.

Vliv teploty na součásti:

• Vyšší teplota snižuje hodnotu odporu.
• Vysoká teplota zkracuje životnost kondenzátoru.
• Vysoká teplota způsobuje poškození izolace transformátorů a tlumivek; přípustná teplota je často nižší než 95 °C.
• Přílišné teplotní výkyvy způsobují tvorbu intermetalických sloučenin (IMC), což vede ke křehkosti a oslabení spojů.
• Vyšší teplota přechodu (Tj) zvyšuje zesílení tranzistoru, čímž se zvyšuje kolektorový proud a dále stoupá teplota Tj, což může vést k poruše.

(B) Cíl tepelného návrhu

V předpokládaných provozních podmínkách udržujte všechny součásti pod jejich maximálními jmenovitými teplotami. Maximální přípustné teploty jsou stanoveny na základě analýzy namáhání a musí odpovídat cílům spolehlivosti produktu a stanoveným mírám poruchovosti pro každou součást.

(C) Řešení problémů s přehříváním

Odvod tepla z LED diod představuje hlavní problém. Hliníkové podložky s vysokou tepelnou vodivostí dokážou teplo účinně odvádět. Konstrukce by měla zajistit, aby se deska plošných spojů nacházela v těsné blízkosti hliníkové základny, a omezit tak tepelný odpor způsobený zalévací hmotou nebo krycími materiály.

Opravy a údržba hliníkových desek plošných spojů

Typické kroky při opravách pro technika zabývajícího se deskami plošných spojů:

1. Analýza poruch: Zjistěte a zúžte okruh možných závad desky.
2. Vizuální kontrola: Prostudujte si vstupy a výstupy, funkce a řídicí oblasti.
3. Testování obvodů: Proveďte úvodní testy, abyste vyloučili závažné závady a určili směr oprav.
4. Testování komponent: Často se stává, že se součástky odpájí a otestují pomocí přístrojů; tím může dojít k poškození vnějšího vzhledu desky, a proto se technici snaží zbytečnému demontování vyhnout.
5. Opravy závad: Opravte vedení, vyměňte součástky nebo upravte obvody.
6. Funkční test: Po úspěšném absolvování elektrických kontrol otestujte opravenou desku a proveďte systémové testy.

Zpracování odpadu z hliníkových podkladů

Desky s plošnými spoji jsou vyrobeny ze skleněných vláken, epoxidu a řady kovových sloučenin. Nesprávná likvidace použitých desek s plošnými spoji může vést k uvolňování bromovaných zpomalovačů hoření a dalších karcinogenů, což způsobuje závažné znečištění a zdravotní rizika. Zároveň mají odpadní desky vysokou ekonomickou hodnotu: obsah kovů může být mnohonásobně vyšší než u přírodní rudy. Obsah kovů může činit 10–60%, hlavně měď, plus zlato, stříbro, nikl, cín, olovo a vzácné kovy. Obsah kovů v přírodní rudě je pouze asi 3–5%.

Studie ukazují, že 1 tuna počítačových součástek může obsahovat přibližně 0,9 kg zlata, 270 kg plastu, 128,7 kg mědi, 1 kg železa, 58,5 kg olova, 39,6 kg cínu, 36 kg niklu, 19,8 kg antimonu a dále palladium a platinu. Odpadní desky s plošnými spoji se proto nazývají “doly čekající na těžbu”.”

Z průzkumů vyplývá, že většina odpadních desek s plošnými spoji a šrotu z rámů se odváží do odlehlých oblastí, kde se spalují nebo čistí vodou, což způsobuje závažné sekundární znečištění:

• Při spalování vznikají silné zápachy a toxické bromované sloučeniny. Toto je zakázáno orgány na ochranu životního prostředí, ale v odlehlých oblastech k tomu stále dochází.
• Mytí vodou je levné, jednoduché a široce používané. Vzniká při něm velké množství zbytků (nekovových, přibližně 80 % hmotnosti desky). Tyto zbytky se obtížně likvidují, a proto je mnoho firem vyváží jako běžný odpad.

Použití a vlastnosti hliníkových podkladů

(A) Funkce aplikace

• Vynikající tepelná vodivost.
• Jednostranná měď znamená, že součástky lze umisťovat pouze na stranu s mědí.
• Nelze v nich vyříznout otvory pro propojky, jako je tomu u jednostranných desek.
• Obvykle se používá pro součástky určené k povrchové montáži; usměrňovače nebo výkonové součástky odvádějí teplo přes základnu, což zajišťuje nízký tepelný odpor a vysokou spolehlivost.
• Transformátory mohou využívat ploché SMD provedení a odvádět teplo přes základnu, což při stejných rozměrech vede k nižšímu nárůstu teploty a vyššímu výkonu.

(B) Poznámky k ručnímu pájení

Vzhledem k tomu, že hliníkové podklady dobře vedou teplo, může při ručním pájení v malém měřítku dojít k příliš rychlému ochlazení pájky, což může způsobit potíže. Praktické rady:

1. Použijte domácí žehličku s nastavitelnou teplotou. Otočte ji tak, aby rovná plocha směřovala nahoru, a zajistěte ji.
2. Nastavte teplotu na přibližně 150 °C a hliníkovou desku krátce zahřejte.
3. Poté součástky umístěte a připájejte jako obvykle. Použijte teplotu, která usnadňuje pájení – příliš vysoká teplota může poškodit součástky nebo způsobit odlupování mědi, příliš nízká teplota zase vede ke špatným pájeným spojům. Teplotu podle potřeby upravte.