¿Qué es un sustrato de aluminio?
En sustrato de aluminio es una placa con núcleo metálico revestido de cobre con una buena disipación del calor. Una placa típica de una sola cara tiene tres capas: una capa de circuito (lámina de cobre), una capa dieléctrica (aislante) y una capa de base metálica. Para usos de gama alta, también hay placas de doble cara con esta pila: capa de circuito, capa dieléctrica, base de aluminio, capa dieléctrica, capa de circuito. En algunos casos especiales, las placas multicapa se fabrican laminando capas de aluminio normales. PCB multicapa con capas dieléctricas y una base de aluminio.
Cómo funciona un sustrato de aluminio
Las piezas de potencia se montan en la capa del circuito. El calor generado por las piezas se desplaza rápidamente a través de la capa dieléctrica hasta la base metálica. A continuación, la base metálica dispersa y libera el calor. Así es como se enfrían las piezas.
Estructura de un sustrato de aluminio
Una placa de cobre revestida de aluminio es una placa de circuito impreso metálica compuesta por una lámina de cobre, una capa dieléctrica conductora térmica y una base metálica. Las tres capas típicas son:
- Capa de circuito (CIRCUIT LAYER): Como la capa de cobre de un circuito impreso normal. El grosor del cobre oscila entre 1 oz y 10 oz (entre 35 µm y 280 µm). El cobre se graba para formar el circuito impreso. Como la placa debe transportar corrientes más elevadas, se utiliza cobre más grueso.
- Capa dieléctrica (DIELECTRIC LAYER): Una capa aislante de baja resistencia térmica y termoconductora. Es la tecnología básica. Suele ser un polímero especial relleno de cerámica. Tiene baja resistencia térmica, buenas propiedades viscoelásticas y resistencia al envejecimiento térmico. Puede soportar tensiones mecánicas y térmicas. Esta capa permite que la placa combine una buena conducción del calor y un alto aislamiento eléctrico.
- Capa base (BASE LAYER): La base metálica, generalmente de aluminio o a veces de cobre (el cobre tiene mejor conductividad térmica). La base metálica soporta la placa. Debe tener una alta conductividad térmica y ser adecuada para taladrar, perforar y cortar.
En comparación con los materiales tradicionales de las placas de circuito impreso, los sustratos de aluminio presentan claras ventajas: son adecuados para el montaje SMT de piezas de potencia sin disipador térmico separado, reducen el tamaño del producto, proporcionan una excelente refrigeración y siguen manteniendo un buen aislamiento y resistencia mecánica.
Características de rendimiento de los sustratos de aluminio
- Admite tecnología de montaje en superficie (SMT).
- Distribución del calor muy eficaz en el diseño de circuitos.
- Menor temperatura de funcionamiento, mayor densidad de potencia y fiabilidad, y mayor vida útil.
- Reduzca el tamaño del producto y los costes de hardware y montaje.
- Sustituir frágil sustratos cerámicos con una mayor durabilidad mecánica.
Capacidades de fabricación (especificaciones de proceso típicas)
| Artículo | Capacidad / Especificación |
|---|---|
| Tipos de cartón | Sustrato de aluminio, base de cobre, base de hierro |
| Acabado superficial | Oro de inmersión (ENIG), estaño en spray, estaño en inmersión, plata química, OSP |
| Capas | Una cara, dos caras, cuatro capas |
| Tamaño máximo | 1185 mm × 480 mm |
| Tamaño mínimo | 5 mm × 5 mm |
| Línea/espacio mínimo | 0,1 mm |
| Alabeo del tablero | ≤ 0,5% (para grosor 1,6 mm, tamaño 300 mm × 300 mm) |
| Espesor procesado | 0,3 - 5,0 mm |
| Espesor del cobre | 35 µm - 240 µm |
| Tolerancia de formación | ±0,15 mm |
| Precisión de alineación del corte en V | ±0,1 mm |
| Capacidad de producción | 7000 m² / mes |
| Desviación de la posición del orificio | ±0,076 mm |
| Ejemplos de tolerancia de formación | Contorno fresado CNC: ±0,1 mm; contorno punzonado/troquelado: ±0,15 mm |
Términos y explicaciones del proceso
- Grabado lateral: Grabado que se produce en la pared lateral bajo el patrón de resistencia. El grabado lateral se mide por la anchura del grabado lateral. Depende del tipo de grabador, la composición, el proceso y el equipo.
- Factor de ataque: Es la relación entre el espesor del conductor (sin chapado) y la cantidad de grabado lateral. Factor de ataque = V / X (V = espesor del conductor, X = ataque lateral). Un factor de grabado más alto significa menos grabado lateral. Los trazos finos de alta densidad necesitan un factor de grabado alto.
- Ampliación del chapado: Durante el metalizado de patrones, la capa de metal puede ser más gruesa que la resistencia, lo que aumenta la anchura de la traza. La acumulación de metal está relacionada con el grosor de la resistencia y el grosor total del metalizado y debe minimizarse.
- Proyección de chapado (saliente de chapado): La suma de la acumulación de metalizado y el grabado lateral. Si no existe acumulación de metalizado, la proyección de metalizado es igual a la cantidad de grabado lateral.
- Velocidad de grabado: La profundidad del metal disuelto por el agente grabador por unidad de tiempo (normalmente µm/min) o el tiempo para eliminar un espesor determinado.
- Capacidad de disolución del cobre: Bajo una velocidad de grabado determinada, la cantidad de cobre que un agente grabador puede disolver. Suele expresarse en g/l. Cada agente tiene una capacidad fija de disolución del cobre.
Embalaje para sustratos de aluminio (LED Packaging)
Envases LED proporciona al chip LED una plataforma para mejorar el rendimiento óptico, eléctrico y térmico. Un buen envase aumenta la eficiencia del LED y la disipación del calor, lo que prolonga su vida útil. El diseño del envase de los LED se basa en cinco factores fundamentales: eficiencia de extracción óptica, resistencia térmica, disipación de energía, fiabilidad y rentabilidad (Lm/$).
Todos los factores son importantes. La extracción óptica afecta al coste por lumen. La resistencia térmica afecta a la fiabilidad y la vida útil. La disipación de energía afecta a la aplicación del cliente. Un buen embalaje equilibra estos factores y satisface las necesidades del cliente.
Normalmente, se utilizan sustratos de aluminio de una o dos capas como disipadores térmicos. Uno o varios chips se fijan directamente a la base de aluminio (o cobre). Los electrodos p y n del chip están unidos por cable a una fina capa de cobre en la superficie del sustrato. El número de chips en la placa depende de la potencia requerida; los paquetes pueden combinarse para fabricar LED de alta potencia de 1 W, 2 W y 3 W. Por último, se moldea o dispensa un material de alto índice de refracción sobre los LED según el diseño óptico.
Calidades del metal base aluminio
Las series de aluminio más utilizadas para sustratos son las 1000, 5000 y 6000:
- Serie 1000: Ejemplos 1050, 1060, 1070. Son de aluminio casi puro (≥ 99% Al). Son fáciles de producir y de bajo coste. Muy utilizados en la industria en general.
- Serie 5000: Ejemplos 5052, 5005, 5083, 5A05. Se trata de aleaciones de aluminio y magnesio (Mg ~3-5%). Tienen baja densidad, alta resistencia a la tracción y buen alargamiento. El peso es menor para la misma superficie. Se utilizan en aviación (depósitos de combustible) y en la industria en general.
- Serie 6000: Ejemplo 6061. Al contener Mg y Si, esta serie combina las ventajas de las series 4000 y 5000. Es tratable térmicamente, tiene buena resistencia a la corrosión, buenas propiedades de mecanizado y revestimiento, alta resistencia. Se utiliza en piezas de aviones, piezas de cámaras, acopladores, accesorios de barcos, ferretería, piezas electrónicas y conectores.
Sustrato de aluminio para LED frente a sustrato de aluminio para PCB
Los sustratos de aluminio para LED están especializados para la industria LED y han impulsado las aplicaciones de disipadores de calor. Ofrecen alta conductividad térmica, baja resistencia térmica, larga vida útil y resistencia a la tensión. Los sustratos de aluminio para LED han ampliado los usos de los LED, como las luces indicadoras de electrodomésticos, los faros de automóviles, las farolas y las grandes señales exteriores.
La conductividad térmica de las placas de aluminio para LED depende en gran medida del dieléctrico intermedio (a menudo un polímero conductor térmico o un adhesivo térmico). La conductividad térmica, la resistencia térmica y la tensión soportada son tres medidas clave de la calidad. Tras el laminado, la conductividad térmica se mide con instrumentos. Los materiales cerámicos y de cobre tienen mayor conductividad térmica, pero el coste limita la mayoría de los mercados a los sustratos de aluminio. Una mayor conductividad térmica suele significar un mejor rendimiento.
Un sustrato de aluminio LED es esencialmente una placa de circuito impreso cuyo material de sustrato es una aleación de aluminio en lugar de vidrio-epoxi FR-4.
Precios del sustrato de aluminio
Con la mejora de la tecnología y los equipos de producción, los precios de los sustratos de aluminio se han vuelto más razonables. Los proveedores no suelen publicar los precios. Póngase en contacto con el proveedor (por ejemplo, Yifang Electronics) para obtener un presupuesto específico.
Plazo de entrega de los sustratos de aluminio
(A) Ordenar notas de planificación
- Plazo de entrega: Creación de prototipos 3-5 días; producción en serie 5-7 días.
- Requisitos de calidad: Aclarar los detalles del cliente (tamaño, grosor, proceso, factura, envío, peticiones especiales).
- Planificación de la cooperación: Confirmar si habrá seguimiento de pedidos de volumen o cooperación a largo plazo.
(B) Formas de acelerar los plazos de entrega lentos
- Mantenga un stock de sustratos de aluminio comunes.
- Añada turnos de día y de noche para acelerar la producción.
- Negociar con los clientes fechas de entrega ajustadas.
Sustratos de aluminio de alta conductividad térmica y conductividad térmica
La conductividad térmica es un parámetro clave para la disipación del calor y uno de los tres principales parámetros de calidad (los otros son la resistencia térmica y la tensión soportada). La conductividad térmica se mide después del laminado. La cerámica y el cobre tienen mayor conductividad, pero el coste hace que el aluminio sea el más utilizado. La conductividad térmica es un parámetro fundamental; valores más altos suelen significar mejor rendimiento.
Los sustratos de aluminio combinan buenas propiedades térmicas, de aislamiento eléctrico y de procesamiento mecánico. Se utilizan mucho en LED y otros diseños electrónicos. El diseño térmico de los LED utiliza a menudo la simulación CFD (dinámica de fluidos computacional) y cálculos térmicos básicos, que son importantes en la producción de sustratos.
La resistencia al flujo de fluidos (resistencia hidráulica) se debe a la viscosidad del fluido y a los límites sólidos. Incluye la resistencia por fricción a lo largo de la trayectoria del flujo y la resistencia local en cambios bruscos (cambios repentinos de área, codos).
Pasos típicos del diseño de disipadores de LED:
- Diseño del perfil del disipador térmico con restricciones.
- Optimice el grosor de las aletas, la forma de las aletas, la separación entre aletas y el grosor del sustrato según las normas de diseño del disipador térmico.
- Comprobar los cálculos para garantizar que el rendimiento de la refrigeración cumple los objetivos.
Diseño térmico para sustratos de aluminio
(A) Por qué es necesario el diseño térmico
Las altas temperaturas dañan la electrónica: el aislamiento se degrada, los componentes fallan, los materiales envejecen, las soldaduras de baja fusión se agrietan y las juntas de soldadura se desprenden.
Efectos de la temperatura en los componentes:
- A mayor temperatura, menor valor de la resistencia.
- Las altas temperaturas acortan la vida útil del condensador.
- Las altas temperaturas degradan el aislamiento de transformadores y reactancias; la temperatura permitida suele ser < 95 °C.
- Una temperatura excesiva altera los compuestos intermetálicos (IMC) de la soldadura, haciendo que las uniones sean frágiles y más débiles.
- Una mayor temperatura de unión (Tj) aumenta la ganancia del transistor, lo que eleva la corriente de colector y aumenta aún más la Tj, lo que puede provocar fallos.
(B) Objetivo del diseño térmico
Mantenga todos los componentes por debajo de sus temperaturas nominales máximas en el entorno de trabajo previsto. Las temperaturas máximas permitidas proceden del análisis de tensiones y deben coincidir con los objetivos de fiabilidad del producto y las tasas de fallo asignadas a cada componente.
(C) Soluciones para problemas térmicos
El calor de los LED es uno de los principales problemas. Los sustratos de aluminio, con una alta conductividad térmica, pueden extraer el calor de forma eficaz. El diseño debe mantener la placa de circuito impreso cerca de la base de aluminio y reducir la resistencia térmica del encapsulado.
Reparación y mantenimiento de PCB de aluminio
Pasos típicos de reparación para un técnico de PCB:
- Análisis de fallos: Identificar y reducir el fallo de la placa.
- Inspección visual: Estudiar las entradas/salidas, las funciones y las regiones de control.
- Prueba de circuitos: Realizar pruebas iniciales para excluir fallos generales y orientar las reparaciones.
- Pruebas de componentes: A menudo se desueldan piezas y se prueban con equipos; esto puede dañar el aspecto exterior de la placa, por lo que los técnicos evitan desmontarlas innecesariamente.
- Reparación de averías: Arreglar trazas, sustituir piezas o modificar circuitos.
- Prueba funcional: Pruebe la placa reparada y ejecute las pruebas del sistema una vez superadas las comprobaciones eléctricas.
Manipulación de residuos de sustratos de aluminio
Los PCB están hechos de fibra de vidrio, epoxi y muchos compuestos metálicos. La eliminación inadecuada de los tableros de aluminio usados puede liberar retardantes de llama bromados y otros carcinógenos, causando una grave contaminación y riesgos para la salud. Al mismo tiempo, los tableros de desecho tienen un alto valor económico: el contenido de metal puede ser varias veces superior al del mineral natural. El contenido metálico puede ser de 10-60%, principalmente cobre, además de oro, plata, níquel, estaño, plomo y metales raros. El contenido metálico del mineral natural es sólo de unos 3-5%.
Los estudios demuestran que una tonelada de piezas de ordenador puede contener aproximadamente 0,9 kg de oro, 270 kg de plástico, 128,7 kg de cobre, 1 kg de hierro, 58,5 kg de plomo, 39,6 kg de estaño, 36 kg de níquel, 19,8 kg de antimonio, además de paladio y platino. Por eso los residuos de PCB se llaman “minas por explotar”.”
Las investigaciones demuestran que la mayoría de los residuos de PCB y chatarra se envían a zonas remotas para su incineración o tratamiento con agua, lo que provoca una grave contaminación secundaria:
- La quema produce fuertes olores y compuestos bromados tóxicos. Está prohibida por las autoridades medioambientales, pero sigue produciéndose en zonas remotas.
- El lavado con agua es barato, sencillo y muy utilizado. Crea una gran cantidad de residuos (no metálicos, ~80% de peso de cartón). El residuo es difícil de eliminar y muchas empresas lo vierten como basura general.
Aplicaciones y características de los sustratos de aluminio
(A) Características de la aplicación
- Excelente conductividad térmica.
- El cobre de una sola cara significa que los componentes sólo pueden colocarse en la cara de cobre.
- No se pueden abrir los orificios de cableado como en las placas de una sola cara para los puentes.
- Normalmente se utiliza para dispositivos de montaje superficial; los dispositivos rectificadores o de potencia disipan el calor a través de la base, lo que proporciona una baja resistencia térmica y una alta fiabilidad.
- Los transformadores pueden utilizar formas SMD planas y disipar el calor a través de la base, lo que proporciona un menor aumento de la temperatura y una mayor potencia para el mismo tamaño.
(B) Notas sobre soldadura manual
Dado que los sustratos de aluminio conducen bien el calor, la soldadura manual a pequeña escala puede enfriar la soldadura demasiado rápido y causar problemas. Consejos prácticos:
- Utiliza una plancha doméstica con temperatura regulable. Dale la vuelta para que la superficie plana quede hacia arriba y fíjala.
- Ajustar la temperatura cerca de 150 °C y calentar la placa de aluminio durante poco tiempo.
- A continuación, coloque y suelde las piezas con normalidad. Utilice una temperatura que facilite la soldadura: una temperatura demasiado alta puede dañar las piezas o delaminar el cobre, mientras que una temperatura demasiado baja produce malas uniones soldadas. Ajústela según sea necesario.
