Alumiinialustan PCB-opas: LED-käytöt

Mikä on alumiinialusta?

An alumiinialusta on metalliytimellä varustettu kuparipäällysteinen piirilevy, jolla on hyvä lämmönsiirtokyky. Tyypillisessä yksipuolisessa levyssä on kolme kerrosta: piirikerros (kuparifolio), dielektrinen (eristys) kerros ja metallinen pohjakerros. Korkealuokkaisiin käyttötarkoituksiin on myös kaksipuolisia levyjä, joissa on tämä pino: piirikerros, dielektrinen kerros, alumiinipohja, dielektrinen kerros, piirikerros. Muutamissa erikoistapauksissa käytetään monikerroksisia levyjä, jotka on valmistettu laminoimalla tavallisia monikerroksinen PCB jossa on dielektrisiä kerroksia ja alumiinipohja.

Miten alumiinialusta toimii

Teho-osat on asennettu piirikerrokseen. Osien tuottama lämpö siirtyy nopeasti dielektrisen kerroksen läpi metallipohjaan. Tämän jälkeen metallipohja levittää ja luovuttaa lämmön. Näin osat jäähdytetään.

Alumiinialustan rakenne

Alumiinilla päällystetty kuparilevy on metallipiirilevymateriaali, joka on valmistettu kuparifoliosta, lämpöä johtavasta dielektrisestä kerroksesta ja metallipohjasta. Tyypilliset kolme kerrosta ovat:

• Piirikerros (CIRCUIT LAYER): Kuten tavallisen piirilevyn kuparipäällysteinen kerros. Kuparin paksuus vaihtelee 1 oz:sta 10 oz:iin (noin 35 µm:stä 280 µm:iin). Kupari syövytetään painetun piirin muodostamiseksi. Koska piirilevyn on usein kestettävä suurempia virtoja, käytetään paksumpaa kuparia.
• Dielektrinen kerros (DIELECTRIC LAYER): Alhainen lämpöresistanssi, lämpöä johtava eristyskerros. Tämä on ydinteknologia. Se on yleensä erityinen polymeeri, joka on täytetty keramiikalla. Sillä on alhainen lämmönkestävyys, hyvät viskoelastiset ominaisuudet ja lämmönkestävyys. Se kestää mekaanista ja lämpörasitusta. Tämän kerroksen ansiosta levyssä yhdistyvät hyvä lämmönjohtavuus ja korkea sähköeristys.
• Pohjakerros (BASE LAYER): Metallipohja, yleensä alumiini tai joskus kupari (kuparin lämmönjohtavuus on parempi). Metallipohja tukee levyä. Sen lämmönjohtavuuden on oltava hyvä, ja sen on sovelluttava poraamiseen, lävistämiseen ja leikkaamiseen.

Perinteisiin piirilevymateriaaleihin verrattuna alumiinisubstraateilla on selkeitä etuja: ne sopivat teho-osien SMT-asennukseen ilman erillistä jäähdytyselementtiä, ne pienentävät tuotekokoa, antavat erinomaisen jäähdytyksen ja säilyttävät silti hyvän eristyksen ja mekaanisen lujuuden.

Alumiinisubstraattien suorituskykyominaisuudet

• Tukevat pinta-asennustekniikkaa (SMT).
• Erittäin tehokas lämmön leviäminen piirisuunnittelussa.
• Alhaisempi käyttölämpötila, suurempi tehotiheys ja luotettavuus sekä pidempi käyttöikä.
• Pienentää tuotteen kokoa ja vähentää laitteisto- ja kokoonpanokustannuksia.
• Korvaa hauras keraamiset alustat parempi mekaaninen kestävyys.

Valmistusvalmiudet (Tyypilliset prosessitiedot)

Kohde	Kyky / spesifikaatio
Hallintokuntatyypit	Alumiinialusta, kuparipohja, rautapohja
Pinnan viimeistely	Upotuskulta (ENIG), ruiskutina, upotustina, kemiallinen hopea, OSP
Kerrokset	Yksipuolinen, kaksipuolinen, nelikerroksinen
Maksimikoko	1185 mm × 480 mm
Vähimmäiskoko	5 mm × 5 mm
Min rivi/välitila	0,1 mm
Levyn vääntyminen	≤ 0,5% (paksuus 1,6 mm, koko 300 mm × 300 mm)
Käsitelty paksuus	0,3 - 5,0 mm
Kuparin paksuus	35 µm - 240 µm
Muotoilutoleranssi	±0,15 mm
V-leikkauksen kohdistustarkkuus	±0,1 mm
Tuotantokapasiteetti	7000 m² / kuukausi
Reiän sijainnin poikkeama	±0,076 mm
Esimerkkejä muototoleransseista	CNC-jyrsitty ääriviiva: ±0,1 mm; lyöntipuristimen ääriviiva: ±0,15 mm.

Prosessin termit ja selitykset

• Sivulle syövytys: Sivuseinämässä resistikuvion alla tapahtuva syövytys. Sivusyövytystä mitataan sivusyövytyksen leveydellä. Se riippuu etsaustyypistä, koostumuksesta, prosessista ja laitteista.
• Syövytystekijä: Johtimen paksuuden (ilman pinnoitusta) ja sivusyövytyksen määrän suhde. Syövytystekijä = V / X (V = johtimen paksuus, X = sivusyövytys). Suurempi syövytystekijä tarkoittaa vähemmän sivusyövytystä. Suuritiheyksiset hienot jäljet tarvitsevat suuren etsauskertoimen.
• Plattauksen rakentaminen (plattauksen laajentaminen): Kuviopinnoituksen aikana metallikerros voi olla paksumpi kuin vastus, mikä lisää jäljen leveyttä. Plattauksen rakentuminen liittyy resistin paksuuteen ja plattauksen kokonaispaksuuteen, ja se olisi minimoitava.
• pinnoitusprojektio (pinnoitusylitys): Pinnoituskehityksen ja sivusyövytyksen summa. Jos pinnoituskehitystä ei ole, pinnoitusprojektio on yhtä suuri kuin sivusyövytyksen määrä.
• Syövytysnopeus: Etsausaineen liuottaman metallin syvyys aikayksikköä kohti (yleensä µm/min) tai tietyn paksuuden poistamiseen kuluva aika.
• Kuparin liuotuskyky: Kuparin määrä, jonka etsausaine pystyy liuottamaan tietyllä syövytysnopeudella. Se ilmoitetaan yleensä g/l. Jokaisella etsausaineella on kiinteä kuparin liuotuskapasiteetti.

Pakkaukset alumiinisubstraateille (LED-pakkaukset)

LED-pakkaukset antaa LED-sirulle alustan optisen, sähköisen ja termisen suorituskyvyn parantamiseksi. Hyvä pakkaus parantaa LEDin tehokkuutta ja lämmönsiirtoa, mikä pidentää sen käyttöikää. LED-pakettien suunnittelu perustuu viiteen keskeiseen tekijään: optinen louhintatehokkuus, lämpöresistanssi, tehohäviö, luotettavuus ja kustannustehokkuus (Lm/$).

Kaikilla tekijöillä on merkitystä. Optinen louhinta vaikuttaa kustannuksiin lumenia kohti. Lämpöresistanssi vaikuttaa luotettavuuteen ja käyttöikään. Tehon häviäminen vaikuttaa asiakkaan sovellukseen. Hyvä pakkaus tasapainottaa nämä tekijät ja vastaa asiakkaan tarpeita.

Yleensä jäähdytyslevyinä käytetään yksi- tai kaksikerroksisia alumiinialustoja. Yksi tai useampi siru on kiinnitetty suoraan alumiini- (tai kupari-) alustaan. Sirun p- ja n-elektrodit on kiinnitetty langalla alustan pinnalla olevaan ohueen kuparikerrokseen. Piirien lukumäärä levyllä riippuu tarvittavasta tehosta; pakkauksia voidaan yhdistää 1 W, 2 W ja 3 W suuritehoisiksi LEDeiksi. Lopuksi LEDien päälle valetaan tai annostellaan korkean taitekerroinindeksin omaavaa materiaalia optisen suunnittelun mukaisesti.

Alumiinin perusmetallien laadut

Yleisiä alustoina käytettäviä alumiinisarjoja ovat 1000-, 5000- ja 6000-sarjat:

• 1000-sarja: Esimerkit 1050, 1060, 1070. Nämä ovat lähes puhdasta alumiinia (≥ 99% Al). Niitä on helppo valmistaa ja ne ovat edullisia. Niitä käytetään laajalti yleisessä teollisuudessa.
• 5000-sarja: Esimerkit 5052, 5005, 5083, 5A05. Nämä ovat alumiini-magnesiumseoksia (Mg ~3-5%). Niillä on alhainen tiheys, korkea vetolujuus ja hyvä venymä. Paino on pienempi samalla pinta-alalla. Käytetään ilmailussa (polttoainesäiliöt) ja yleisessä teollisuuskäytössä.
• 6000-sarja: Esimerkki 6061. Tässä Mg- ja Si-pitoisessa sarjassa yhdistyvät 4000- ja 5000-sarjojen edut. Se on lämpökäsiteltävissä, sillä on hyvä korroosionkestävyys, hyvät työstö- ja pinnoitusominaisuudet sekä korkea lujuus. Käytetään lentokoneiden osissa, kameroiden osissa, kytkimissä, laivojen liitososissa, laitteissa, elektronisissa osissa ja liittimissä.

LED alumiini substraatti vs PCB alumiini substraatti

LED-alumiinisubstraatit ovat erikoistuneet LED-teollisuuteen, ja niillä on ajettu jäähdytyselementtisovelluksia. Ne tarjoavat korkean lämmönjohtavuuden, alhaisen lämpövastuksen, pitkän käyttöiän ja jännitekestävyyden. LED-alumiinisubstraatit laajensivat LED-käyttökohteita, kuten laitteiden merkkivaloja, autojen ajovaloja, katuvaloja ja suuria ulkokylttejä.

LED-alumiinilevyjen lämmönjohtavuus riippuu suurelta osin keskimmäisestä dielektrisestä aineesta (usein lämpöä johtavasta polymeeristä tai lämpöliimasta). Lämmönjohtavuus, lämpöresistanssi ja jännitteen kesto ovat kolme keskeistä laatumittaria. Laminoinnin jälkeen lämmönjohtavuus mitataan instrumenteilla. Keraamisilla ja kuparimateriaaleilla on parempi lämmönjohtavuus, mutta kustannukset rajoittavat useimmat markkinat alumiinialustoihin. Suuremmat lämmönjohtavuusluvut merkitsevät yleensä parempaa suorituskykyä.

LED-alumiinisubstraatti on pohjimmiltaan piirilevy, jonka substraattimateriaali on alumiiniseos FR-4-lasiepoksin sijasta.

Alumiinialustan hinnoittelu

Tuotantotekniikan ja -laitteiden kehittymisen myötä alumiinialustojen hinnat ovat muuttuneet kohtuullisemmiksi. Tavarantoimittajat eivät yleensä mainitse hintoja julkisesti. Ota yhteyttä myyjään (esim. Yifang Electronics) saadaksesi tarkan tarjouksen.

Alumiinialustojen toimitusaika

(A) Tilauksen suunnittelua koskevat huomautukset

• Toimitusaika: 3-5 päivää; massatuotanto 5-7 päivää.
• Laatuvaatimukset: Selvitä asiakkaan yksityiskohdat (koko, paksuus, prosessi, lasku, toimitus, erityistoiveet).
• Yhteistyön suunnittelu: Vahvista, onko kyseessä jatkotilaukset vai pitkäaikainen yhteistyö.

(B) Tapoja nopeuttaa hitaita toimitusaikoja

• Pidä varastossa yleisiä alumiinialustoja.
• Lisää päivä- ja yövuoroja tuotannon nopeuttamiseksi.
• Neuvottele mukautetuista toimituspäivistä asiakkaiden kanssa.

Korkean lämmönjohtavuuden alumiinisubstraatit ja lämmönjohtavuus

Lämmönjohtavuus on keskeinen parametri lämmöntuottoa ajatellen ja yksi kolmesta tärkeimmästä laatumittarista (muut ovat lämpöresistanssi ja jännitteen kesto). Lämmönjohtavuus mitataan laminoinnin jälkeen. Keraamisella ja kuparilla on parempi lämmönjohtavuus, mutta kustannusten vuoksi alumiini on valtavirtaa. Lämmönjohtavuus on keskeinen parametri; korkeammat arvot merkitsevät yleensä parempaa suorituskykyä.

Alumiinialustoissa yhdistyvät hyvät lämpö- ja sähköeristysominaisuudet sekä mekaaniset käsittelyominaisuudet. Niitä käytetään laajalti LED- ja muissa elektroniikkasuunnitelmissa. LED-lämpösuunnittelussa käytetään usein CFD (computational fluid dynamics) -simulointia ja peruslämpölaskelmia, jotka ovat tärkeitä substraattituotannossa.

Nesteen virtausvastus (hydraulinen vastus) johtuu nesteen viskositeetista ja kiinteistä rajoista. Se sisältää kitkavastuksen virtausreitin varrella ja paikallisen vastuksen äkillisissä muutoksissa (äkilliset pinta-alamuutokset, kulmakappaleet).

Tyypilliset LED-jäähdytyselementin suunnitteluvaiheet:

1. Suunnittele jäähdytyselementin profiili rajoitusten mukaisesti.
2. Optimoi lamellien paksuus, lamellien muoto, lamellien etäisyys toisistaan ja alustan paksuus jäähdytyselementtien suunnittelusääntöjen mukaisesti.
3. Tarkista laskelmat varmistaaksesi, että jäähdytysteho on tavoitteiden mukainen.

Lämpösuunnittelu alumiinisubstraateille

(A) Miksi lämpösuunnittelu on välttämätöntä?

Korkea lämpötila vahingoittaa elektroniikkaa: eristys heikkenee, komponentit vioittuvat, materiaalit vanhenevat, heikosti sulavat juotosliitokset halkeilevat ja juotosliitokset irtoavat.

Lämpötilan vaikutukset komponentteihin:

• Korkeampi lämpötila alentaa vastuksen arvoa.
• Korkea lämpötila lyhentää kondensaattorin käyttöikää.
• Korkea lämpötila heikentää muuntajan ja kuristimen eristystä; sallittu lämpötila usein < 95 °C.
• Liian korkea lämpötila muuttaa juotosten intermetallikomponentteja (IMC), jolloin liitokset haurastuvat ja heikkenevät.
• Korkeampi liitoslämpötila (Tj) lisää transistorin vahvistusta, mikä lisää kollektorivirtaa ja kasvattaa Tj:tä entisestään, mikä voi johtaa vikaantumiseen.

(B) Lämpösuunnittelun tavoite

Pidä kaikki komponentit odotettavissa olevassa työympäristössä nimellislämpötilojensa enimmäislämpötilojen alapuolella. Sallitut enimmäislämpötilat perustuvat rasitusanalyysiin, ja niiden on vastattava tuotteen luotettavuustavoitteita ja kullekin komponentille määritettyjä vikaantumisprosentteja.

(C) Ratkaisut lämpöongelmiin

LED-lämpö on merkittävä kipupiste. Alumiinialustat, joilla on korkea lämmönjohtavuus, voivat vetää lämmön tehokkaasti pois. Suunnittelun tulisi pitää piirilevy lähellä alumiinialustaa ja vähentää lämpövastusta, joka aiheutuu pottingista tai kapseloinnista.

Alumiinipiirilevyjen korjaus ja huolto

Tyypilliset korjausvaiheet PCB-teknikolle:

1. Vian analysointi: Tunnista ja rajoita levyn vika.
2. Silmämääräinen tarkastus: Tutki tuloja/lähtöjä, toimintoja ja valvonta-alueita.
3. Piirin testaus: Tee alustavat testit laajojen vikojen poissulkemiseksi ja korjausten ohjaamiseksi.
4. Komponenttien testaus: Usein osat irrotetaan juotoksesta ja testataan laitteilla; tämä voi vahingoittaa ulkoista levyn ulkonäköä, joten teknikot välttävät tarpeetonta poistamista.
5. Vian korjaus: Korjaa jälkiä, vaihda osia tai muokkaa piirejä.
6. Toiminnallinen testi: Testaa korjattu levy ja suorita järjestelmätestit sähköisten tarkastusten läpäisyn jälkeen.

Alumiinisubstraattien jätteenkäsittely

Piirilevyt on valmistettu lasikuidusta, epoksista ja monista metalliyhdisteistä. Käytettyjen alumiinilevyjen virheellisestä hävittämisestä voi vapautua bromattuja palonestoaineita ja muita syöpää aiheuttavia aineita, jotka aiheuttavat vakavia saastumis- ja terveysriskejä. Samalla jätelevyillä on suuri taloudellinen arvo: metallipitoisuus voi olla moninkertainen luonnonmalmiin verrattuna. Metallipitoisuus voi olla 10-60%, pääasiassa kuparia sekä kultaa, hopeaa, nikkeliä, tinaa, lyijyä ja harvinaisia metalleja. Luonnonmalmin metallipitoisuudet ovat vain noin 3-5%.

Tutkimusten mukaan yksi tonni tietokoneen osia voi sisältää noin 0,9 kg kultaa, 270 kg muovia, 128,7 kg kuparia, 1 kg rautaa, 58,5 kg lyijyä, 39,6 kg tinaa, 36 kg nikkeliä, 19,8 kg antimonia sekä palladiumia ja platinaa. PCB-jätettä kutsutaan siis “kehitettäviksi kaivoksiksi”.”

Tutkimukset osoittavat, että suurin osa PCB- ja kehysromusta lähetetään syrjäisille alueille poltettavaksi tai vesipesukäsittelyyn, mikä aiheuttaa vakavaa toissijaista saastumista:

• Polttaminen tuottaa voimakkaita hajuja ja myrkyllisiä bromattuja yhdisteitä. Ympäristöviranomaiset ovat kieltäneet polttamisen, mutta sitä tehdään edelleen syrjäisillä alueilla.
• Vesipesu on halpaa ja yksinkertaista ja laajalti käytössä. Se synnyttää suuren määrän jäämiä (ei-metallia, ~80% levyn painosta). Jäännöstä on vaikea hävittää, ja monet yritykset hävittävät sen yleisenä jätteenä.

Alumiinialustojen sovellukset ja ominaisuudet

(A) Sovelluksen ominaisuudet

• Erinomainen lämmönjohtavuus.
• Yksipuolinen kupari tarkoittaa, että komponentit voidaan sijoittaa vain kuparipuolelle.
• Ei voi avata johdotusreikiä kuten yksipuoliset levyt hyppyreitä varten.
• Käytetään yleensä pinta-asennettavissa laitteissa; tasasuuntaaja tai teholaitteet johtavat lämpöä pohjan kautta, jolloin lämpöresistanssi on alhainen ja luotettavuus korkea.
• Muuntajissa voidaan käyttää litteitä SMD-muotoja ja johtaa lämpöä pohjan kautta, jolloin lämpötilan nousu on pienempi ja teho suurempi samassa koossa.

(B) Käsijuottaminen Huomautuksia

Koska alumiinialustat johtavat hyvin lämpöä, pienimuotoinen käsinjuottaminen voi jäähdyttää juotoksen liian nopeasti ja aiheuttaa ongelmia. Käytännön vinkkejä:

1. Käytä kotitaloussilitysrautaa, jonka lämpötila on säädettävissä. Käännä se niin, että tasainen pinta on ylöspäin, ja kiinnitä se.
2. Aseta lämpötila lähelle 150 °C:ta ja lämmitä alumiinilevyä lyhyen aikaa.
3. Aseta ja juota osat sitten normaalisti. Käytä lämpötilaa, joka helpottaa juottamista - liian korkea lämpötila voi vaurioittaa osia tai delaminoida kuparia, liian matala lämpötila aiheuttaa huonoja juotosliitoksia. Säädä tarpeen mukaan.