Guide til printkort med aluminiumsunderlag: Termisk design og LED-anvendelser

Hvad er et aluminiumsunderlag?

En Aluminiumssubstrat er en kobberbeklædt printplade med metalkerne og god varmeafledning. En typisk enkeltsidet printplade har tre lag: et kredsløbslag (kobberfolie), et dielektrisk lag (isolering) og et metalunderlag. Til avancerede anvendelser findes der også dobbeltsidede kort med denne stak: kredsløbslag, dielektrisk lag, aluminiumsbase, dielektrisk lag, kredsløbslag. I nogle få særlige tilfælde bruges flerlagskort fremstillet ved at laminere almindelige PCB i flere lag med dielektriske lag og en aluminiumsbase.

Sådan fungerer et aluminiumsunderlag

Strømførende dele er monteret på kredsløbslaget. Varmen fra delene bevæger sig hurtigt gennem det dielektriske lag og ind i metalbasen. Metalbasen spreder sig derefter og frigiver varmen. Det er sådan, delene afkøles.

Strukturen af et aluminiumsunderlag

En aluminiumsbeklædt kobberplade er et metalkredsløbsmateriale lavet af kobberfolie, et varmeledende dielektrisk lag og en metalbase. De typiske tre lag er:

• Kredsløbslag (CIRCUIT LAYER): Som det kobberbeklædte lag på et normalt printkort. Kobbertykkelsen varierer fra 1 oz til 10 oz (ca. 35 µm til 280 µm). Kobberet ætses for at danne det trykte kredsløb. Fordi printet ofte skal bære højere strømme, bruges der tykkere kobber.
• Dielektrisk lag (DIELECTRIC LAYER): Et isolerende lag med lav varmebestandighed og varmeledning. Dette er kerneteknologien. Det er normalt en særlig polymer fyldt med keramik. Det har lav varmebestandighed, gode viskoelastiske egenskaber og modstandsdygtighed over for varmeældning. Det kan klare mekanisk og termisk stress. Dette lag gør det muligt at kombinere god varmeledning og høj elektrisk isolering.
• Basislag (BASE LAYER): Metalbasen, normalt aluminium eller nogle gange kobber (kobber har bedre varmeledningsevne). Metalbasen understøtter printet. Den skal have en høj varmeledningsevne og være egnet til boring, stansning og skæring.

Sammenlignet med traditionelle printkortmaterialer har aluminiumssubstrater klare fordele: De egner sig til SMT-montering af effektdele uden en separat køleplade, de krymper produktstørrelsen, giver fremragende køling og har stadig god isolering og mekanisk styrke.

Ydeevneegenskaber ved aluminiumssubstrater

• Understøtter overflademonteringsteknologi (SMT).
• Meget effektiv varmespredning i kredsløbsdesign.
• Lavere driftstemperatur, højere effekttæthed og pålidelighed samt længere levetid.
• Skrumper produktstørrelsen og reducerer hardware- og monteringsomkostninger.
• Udskift skrøbelig keramiske substrater med bedre mekanisk holdbarhed.

Produktionskapacitet (typiske processpecifikationer)

Vare	Kapacitet/specifikation
Board-typer	Aluminiumssubstrat, kobberbase, jernbase
Overfladefinish	Nedsænket guld (ENIG), spray tin, nedsænkning tin, kemisk sølv, OSP
Lag	Enkeltsidet, dobbeltsidet, fire lag
Maksimal størrelse	1185 mm × 480 mm
Min. størrelse	5 mm × 5 mm
Min. linje/mellemrum	0,1 mm
Skævhed i pladen	≤ 0,5% (for tykkelse 1,6 mm, størrelse 300 mm × 300 mm)
Forarbejdet tykkelse	0,3 - 5,0 mm
Tykkelse af kobber	35 µm - 240 µm
Formningstolerance	±0,15 mm
Nøjagtighed ved justering af V-snit	±0,1 mm
Produktionskapacitet	7000 m² / måned
Afvigelse af hulposition	±0,076 mm
Eksempler på formtolerancer	CNC-fræset omrids: ±0,1 mm; omrids af stansemaskine/form: ±0,15 mm

Procesbetingelser og forklaringer

• Ætsning på siden: Ætsning, der sker på sidevæggen under resistmønsteret. Sideætsning måles ved den laterale ætsningsbredde. Det afhænger af ætsemidlets type, sammensætning, proces og udstyr.
• Ætsningsfaktor: Forholdet mellem ledertykkelse (ekskl. plettering) og sideætsningsmængde. Ætsningsfaktor = V / X (V = ledertykkelse, X = sideætsning). En højere ætsningsfaktor betyder mindre sideætsning. Fine spor med høj densitet har brug for en høj ætsningsfaktor.
• Udbygning af plettering (udvidelse af plettering): Under mønsterplettering kan metallaget være tykkere end resisten, hvilket øger sporbredden. Pletteringens udbygning er relateret til resisttykkelsen og den samlede pletteringstykkelse og bør minimeres.
• Pletteringsfremspring (pletteringsoverhæng): Summen af pletteringsopbygning og sideætsning. Hvis der ikke findes nogen pletteringsudbygning, er pletteringsprojektionen lig med mængden af sideætsning.
• Ætsningshastighed: Dybden af metal, der opløses af ætsemidlet pr. tidsenhed (normalt µm/min) eller den tid, det tager at fjerne en given tykkelse.
• Kobberopløsningskapacitet: Under en given ætsningshastighed er det mængden af kobber, som et ætsemiddel kan opløse. Det angives normalt i g/L. Hvert ætsemiddel har en fast kobberopløsningskapacitet.

Emballage til aluminiumssubstrater (LED-emballage)

LED-emballage giver LED-chip'en en platform til at forbedre den optiske, elektriske og termiske ydeevne. God indpakning øger LED-effektiviteten og varmeafledningen, hvilket forlænger levetiden. LED-pakkedesign er baseret på fem kernefaktorer: optisk ekstraktionseffektivitet, termisk modstand, strømspredning, pålidelighed og omkostningseffektivitet (Lm/$).

Alle faktorer er vigtige. Optisk ekstraktion påvirker prisen pr. lumen. Termisk modstand påvirker pålidelighed og levetid. Strømspredning påvirker kundens anvendelse. God indpakning afbalancerer disse faktorer og opfylder kundernes behov.

Normalt bruges enkeltlags eller dobbeltlags aluminiumsunderlag som kølelegemer. En eller flere chips er fastgjort direkte på aluminiums- (eller kobber-) basen. Chippens p- og n-elektroder er trådbundet til et tyndt kobberlag på substratets overflade. Antallet af chips på pladen afhænger af den krævede effekt; pakker kan kombineres for at lave 1 W, 2 W, 3 W højeffekts-LED'er. Til sidst støbes eller udleveres et materiale med højt brydningsindeks over lysdioderne i henhold til det optiske design.

Grundlæggende metalkvaliteter i aluminium

Almindelige aluminiumserier, der bruges til substrater, er 1000-, 5000- og 6000-serierne:

• 1000-serien: Eksempler 1050, 1060, 1070. Disse er næsten rent aluminium (≥ 99% Al). De er nemme at producere og billige. Udbredt i den almindelige industri.
• 5000-serien: Eksempler 5052, 5005, 5083, 5A05. Disse er aluminium-magnesium-legeringer (Mg ~3-5%). De har lav massefylde, høj trækstyrke og god forlængelse. Vægten er lavere for samme areal. Anvendes inden for luftfart (brændstoftanke) og generel industriel brug.
• 6000-serien: Eksempel 6061. Denne serie indeholder Mg og Si og kombinerer fordelene ved 4000- og 5000-serien. Den kan varmebehandles, har god korrosionsbestandighed, gode bearbejdnings- og belægningsegenskaber og høj styrke. Anvendes i flydele, kameradele, koblinger, skibsfittings, hardware, elektroniske dele og stik.

LED Aluminum Substrate vs PCB Aluminum Substrate

LED-aluminiumsubstrater er specialiseret til LED-industrien og har drevet kølepladeapplikationer. De har høj varmeledningsevne, lav termisk modstand, lang levetid og spændingsmodstand. LED-aluminiumssubstrater udvidede LED-anvendelser som indikatorlamper til apparater, forlygter til biler, gadelygter og store udendørs skilte.

Varmeledningsevnen i LED-aluminiumplader afhænger i høj grad af det midterste dielektrikum (ofte en varmeledende polymer eller termisk klæbemiddel). Varmeledningsevne, termisk modstand og spændingsmodstand er tre vigtige kvalitetsmål. Efter laminering måles varmeledningsevnen med instrumenter. Keramik- og kobbermaterialer har højere varmeledningsevne, men omkostningerne begrænser de fleste markeder til aluminiumssubstrater. Højere varmeledningsevne betyder normalt bedre ydeevne.

Et LED-aluminiumsunderlag er i bund og grund et printkort, hvis underlagsmateriale er en aluminiumslegering i stedet for FR-4 glas-epoxy.

Priser på aluminiumsunderlag

Med forbedringer i produktionsteknologi og -udstyr er priserne på aluminiumsunderlag blevet mere rimelige. Leverandører oplyser normalt ikke priser offentligt. Kontakt leverandøren (f.eks. Yifang Electronics) for at få et specifikt tilbud.

Gennemløbstid for aluminiumssubstrater

(A) Bestil planlægningsnoter

• Leveringstid: Prototyping 3-5 dage; masseproduktion 5-7 dage.
• Krav til kvalitet: Afklar kundedetaljer (størrelse, tykkelse, proces, faktura, forsendelse, særlige ønsker).
• Planlægning af samarbejde: Bekræft, om der bliver tale om opfølgende volumenordrer eller langsigtet samarbejde.

(B) Måder at fremskynde langsomme leveringstider på

• Hav et lager af almindelige aluminiumssubstrater.
• Tilføj dag- og nathold for at fremskynde produktionen.
• Forhandl om justerede leveringsdatoer med kunderne.

Aluminiumsubstrater med høj varmeledningsevne og varmeledningsevne

Varmeledningsevne er en nøgleparameter for varmeafledning og en af de tre vigtigste kvalitetsmålinger (de andre er termisk modstand og spændingsmodstand). Varmeledningsevnen måles efter laminering. Keramik og kobber har højere ledningsevne, men prisen gør aluminium til mainstream. Varmeledningsevne er en kerneparameter; højere værdier betyder normalt bedre ydeevne.

Aluminiumssubstrater kombinerer gode termiske, elektriske isoleringsegenskaber og mekaniske forarbejdningsegenskaber. De bruges i vid udstrækning i LED- og andre elektroniske designs. Termisk design af LED'er bruger ofte CFD-simulering (computational fluid dynamics) og grundlæggende termiske beregninger, som er vigtige i produktionen af substrater.

Væskestrømningsmodstand (hydraulisk modstand) skyldes væskens viskositet og faste grænser. Den omfatter friktionsmodstand langs strømningsvejen og lokal modstand ved pludselige ændringer (pludselige arealændringer, bøjninger).

Typiske designtrin for LED-kølelegemer:

1. Design kølelegemeprofil under begrænsninger.
2. Optimer lameltykkelse, lamelform, lamelafstand og substrattykkelse i henhold til reglerne for kølelegemedesign.
3. Tjek beregningerne for at sikre, at køleydelsen lever op til målene.

Termisk design til aluminiumssubstrater

(A) Hvorfor termisk design er nødvendigt

Høj temperatur skader elektronikken: isoleringen nedbrydes, komponenterne svigter, materialerne ældes, lavtsmeltende loddeforbindelser revner, og loddeforbindelser falder af.

Temperaturpåvirkning af komponenter:

• Højere temperatur sænker modstandsværdien.
• Høj temperatur forkorter kondensatorens levetid.
• Høj temperatur nedbryder transformator- og drosselisolering; tilladt temperatur er ofte < 95 °C.
• For høj temperatur ændrer loddets intermetalliske forbindelser (IMC), hvilket gør samlingerne skøre og svagere.
• Højere overgangstemperatur (Tj) øger transistorforstærkningen, hæver kollektorstrømmen og øger Tj yderligere, hvilket kan føre til fejl.

(B) Målet med termisk design

Hold alle komponenter under deres maksimale nominelle temperaturer i det forventede arbejdsmiljø. De maksimalt tilladte temperaturer kommer fra en stressanalyse og skal matche produktets pålidelighedsmål og tildelte fejlrater for hver komponent.

(C) Løsninger på termiske problemer

LED-varme er et stort problem. Aluminiumssubstrater med høj varmeledningsevne kan trække varmen effektivt ud. Designet skal holde printkortet tæt på aluminiumsbasen og reducere den termiske modstand fra indstøbning eller indkapsling.

Reparation og vedligeholdelse af aluminium-PCB'er

Typiske reparationstrin for en PCB-tekniker:

1. Analyse af fejl: Identificer og indskrænk kortets fejl.
2. Visuel inspektion: Undersøg inputs/outputs, funktioner og kontrolområder.
3. Test af kredsløb: Udfør indledende test for at udelukke generelle fejl og vejlede om reparationer.
4. Test af komponenter: Ofte aflodder man dele og tester dem med udstyr; dette kan beskadige det ydre kort, så teknikere undgår unødvendig fjernelse.
5. Reparation af fejl: Reparer spor, udskift dele eller modificer kredsløb.
6. Funktionel test: Test det reparerede kort, og kør systemtest, når de elektriske kontroller er bestået.

Affaldshåndtering af aluminiumsubstrater

PCB'er er lavet af glasfiber, epoxy og mange metalforbindelser. Forkert bortskaffelse af brugte aluminiumsplader kan frigive bromerede flammehæmmere og andre kræftfremkaldende stoffer og forårsage alvorlig forurening og sundhedsrisici. Samtidig har affaldsplader en høj økonomisk værdi: Metalindholdet kan være mange gange større end i naturlig malm. Metalindholdet kan være 10-60%, hovedsageligt kobber, plus guld, sølv, nikkel, tin, bly og sjældne metaller. Metalkvaliteten i naturlig malm er kun ca. 3-5%.

Undersøgelser viser, at 1 ton computerdele kan indeholde ca. 0,9 kg guld, 270 kg plast, 128,7 kg kobber, 1 kg jern, 58,5 kg bly, 39,6 kg tin, 36 kg nikkel, 19,8 kg antimon samt palladium og platin. PCB-affald kaldes således “miner, der skal udvikles”.”

Undersøgelser viser, at det meste PCB-affald og rammeskrot sendes til fjerntliggende områder for at blive brændt eller behandlet med vandvask, hvilket forårsager alvorlig sekundær forurening:

• Afbrænding giver stærke lugte og giftige bromerede forbindelser. Det er forbudt af miljømyndighederne, men det sker stadig i fjerntliggende områder.
• Vandvask er billigt og enkelt og bruges i vid udstrækning. Det skaber en stor mængde restprodukter (ikke-metal, ~80% af pladevægten). Resterne er svære at bortskaffe, og mange virksomheder dumper dem som almindeligt affald.

Anvendelser og egenskaber ved aluminiumssubstrater

(A) Applikationsfunktioner

• Fremragende varmeledningsevne.
• Enkeltsidet kobber betyder, at komponenter kun kan placeres på kobbersiden.
• Kan ikke åbne ledningshuller som enkeltsidede kort til jumpere.
• Bruges normalt til overflademonterede enheder; ensrettere eller strømforsyninger afleder varmen via basen, hvilket giver lav termisk modstand og høj pålidelighed.
• Transformatorer kan bruge flade SMD-former og sprede varmen gennem basen, hvilket giver lavere temperaturstigning og højere output for den samme størrelse.

(B) Noter om håndlodning

Fordi aluminiumsunderlag leder varmen godt, kan håndlodning i lille skala afkøle loddet for hurtigt og forårsage problemer. Praktiske tips:

1. Brug et strygejern med justerbar temperatur. Vend den, så den flade overflade vender opad, og sæt den fast.
2. Indstil temperaturen til nær 150 °C, og varm aluminiumspladen op i kort tid.
3. Derefter placeres og loddes delene som normalt. Brug en temperatur, der gør det lettere at lodde - for høj kan beskadige delene eller delaminere kobberet, for lav giver dårlige lodninger. Juster efter behov.