Hướng dẫn về bảng mạch in (PCB) có nền nhôm: Thiết kế nhiệt và Ứng dụng LED

Aluminum Substrate là gì?

Một Nền nhôm là một bảng mạch in kim loại lõi đồng có khả năng tản nhiệt tốt. Một bảng mạch in một mặt tiêu chuẩn có ba lớp: lớp mạch (lớp đồng), lớp cách điện (lớp cách nhiệt) và lớp nền kim loại. Đối với các ứng dụng cao cấp, cũng có các bảng mạch in hai mặt với cấu trúc lớp như sau: lớp mạch, lớp cách điện, lớp nền nhôm, lớp cách điện, lớp mạch. Một số trường hợp đặc biệt sử dụng bảng mạch in nhiều lớp được tạo thành bằng cách ép lớp các bảng mạch in thông thường. Bo mạch in nhiều lớp với các lớp cách điện và một lớp nền nhôm.

Cách hoạt động của một tấm nền nhôm

Các bộ phận nguồn được lắp đặt trên lớp mạch. Nhiệt do các bộ phận tạo ra di chuyển nhanh qua lớp cách điện vào lớp kim loại. Lớp kim loại sau đó phân tán và giải phóng nhiệt. Đây là cách các bộ phận được làm mát.

Cấu trúc của một tấm nền nhôm

Bảng mạch đồng bọc nhôm là vật liệu bảng mạch kim loại được làm từ lá đồng, lớp cách điện dẫn nhiệt và lớp nền kim loại. Ba lớp tiêu biểu là:

• Lớp mạch (CIRCUIT LAYER)Giống như lớp đồng phủ trên một bảng mạch in (PCB) thông thường. Độ dày của đồng dao động từ 1 oz đến 10 oz (khoảng 35 µm đến 280 µm). Đồng được ăn mòn để tạo thành mạch in. Vì bảng mạch thường phải chịu dòng điện cao hơn, nên sử dụng đồng dày hơn.
• Lớp cách điện (LỚP CÁCH ĐIỆN): Lớp cách nhiệt có độ dẫn nhiệt thấp và khả năng dẫn nhiệt tốt. Đây là công nghệ cốt lõi. Thông thường, nó là một loại polymer đặc biệt chứa các hạt gốm. Lớp này có độ dẫn nhiệt thấp, tính chất viscoelastic tốt và khả năng chống lão hóa nhiệt. Nó có thể chịu được áp lực cơ học và nhiệt. Lớp này cho phép bảng mạch kết hợp khả năng dẫn nhiệt tốt và cách điện điện cao.
• Lớp lót (BASE LAYER): Đế kim loại, thường là nhôm hoặc đôi khi là đồng (đồng có độ dẫn nhiệt tốt hơn). Đế kim loại hỗ trợ bảng mạch. Nó phải có độ dẫn nhiệt cao và phù hợp cho các thao tác khoan, đục lỗ và cắt.

So với các vật liệu PCB truyền thống, vật liệu nền nhôm có những ưu điểm rõ rệt: chúng phù hợp cho việc lắp đặt SMT các linh kiện công suất mà không cần tản nhiệt riêng biệt, giúp thu nhỏ kích thước sản phẩm, cung cấp khả năng tản nhiệt xuất sắc và vẫn duy trì độ cách điện và độ bền cơ học tốt.

Đặc tính hiệu suất của vật liệu nền nhôm

• Hỗ trợ công nghệ hàn bề mặt (SMT).
• Tản nhiệt rất hiệu quả trong thiết kế mạch.
• Nhiệt độ hoạt động thấp hơn, mật độ công suất cao hơn và độ tin cậy cao hơn, cùng với tuổi thọ dài hơn.
• Giảm kích thước sản phẩm và giảm chi phí phần cứng và lắp ráp.
• Thay thế các bộ phận dễ vỡ Vật liệu nền gốm sứ với độ bền cơ học cao hơn.

Năng lực sản xuất (Thông số kỹ thuật quy trình điển hình)

Mặt hàng	Khả năng / Thông số kỹ thuật
Các loại bảng	Vật liệu nền nhôm, vật liệu nền đồng, vật liệu nền sắt
Bề mặt hoàn thiện	Vàng nhúng (ENIG), bình xịt, bình ngâm, bạc hóa học, OSP
Lớp	Một mặt, hai mặt, bốn lớp
Kích thước tối đa	1185 mm × 480 mm
Kích thước tối thiểu	5 mm × 5 mm
Dòng/khoảng cách tối thiểu	0,1 mm
Sự cong vênh của bảng	≤ 0,5% (cho độ dày 1,6 mm, kích thước 300 mm × 300 mm)
Độ dày đã qua xử lý	0,3 – 5,0 mm
Độ dày của đồng	35 µm – 240 µm
Định hình dung sai	±0,15 mm
Độ chính xác của sự căn chỉnh V-cut	±0,1 mm
Công suất sản xuất	7.000 m² / tháng
Sai lệch vị trí lỗ	±0,076 mm
Ví dụ về dung sai hình dạng	Đường viền được gia công bằng CNC: ±0.1 mm; đường viền khuôn dập/khuôn cắt: ±0.15 mm

Thuật ngữ và Giải thích Quy trình

• Gia công khắc cạnh: Quá trình ăn mòn xảy ra tại thành bên dưới mẫu kháng. Độ ăn mòn bên được đo bằng chiều rộng ăn mòn ngang. Nó phụ thuộc vào loại dung dịch ăn mòn, thành phần, quy trình và thiết bị.
• Yếu tố ăn mònTỷ lệ giữa độ dày của dây dẫn (không bao gồm lớp mạ) và lượng ăn mòn bên cạnh. Hệ số ăn mòn = V / X (V = độ dày của dây dẫn, X = lượng ăn mòn bên cạnh). Hệ số ăn mòn cao hơn có nghĩa là lượng ăn mòn bên cạnh ít hơn. Các đường dẫn mỏng có mật độ cao cần có hệ số ăn mòn cao.
• Mở rộng lớp mạ (mở rộng bề mặt mạ)Trong quá trình mạ theo mẫu, lớp kim loại có thể dày hơn lớp kháng mạ, điều này làm tăng chiều rộng của đường mạch. Quá trình mạ phát triển liên quan đến độ dày của lớp kháng mạ và tổng độ dày của lớp mạ, và nên được giảm thiểu.
• Dựng hình mạ (phần mạ nhô ra)Tổng của độ dày mạ và độ ăn mòn cạnh. Nếu không có độ dày mạ, độ dày mạ tương đương với độ ăn mòn cạnh.
• Tốc độ ăn mònĐộ sâu của kim loại bị hòa tan bởi chất ăn mòn trên mỗi đơn vị thời gian (thường là µm/phút) hoặc thời gian cần thiết để loại bỏ một độ dày nhất định.
• Khả năng hòa tan đồng: Trong điều kiện tốc độ ăn mòn cho trước, lượng đồng mà chất ăn mòn có thể hòa tan. Thông số này thường được biểu thị bằng g/L. Mỗi chất ăn mòn có khả năng hòa tan đồng cố định.

Vật liệu đóng gói cho các tấm nhôm (Đóng gói LED)

Đóng gói LED Cung cấp cho chip LED một nền tảng để cải thiện hiệu suất quang học, điện và nhiệt. Vỏ bọc LED chất lượng cao giúp tăng hiệu suất LED và khả năng tản nhiệt, từ đó kéo dài tuổi thọ. Thiết kế vỏ bọc LED dựa trên năm yếu tố cốt lõi: hiệu suất chiết xuất quang học, kháng nhiệt, tiêu tán công suất, độ tin cậy và hiệu quả chi phí (Lm/$).

Tất cả các yếu tố đều quan trọng. Hiệu suất quang học ảnh hưởng đến chi phí trên mỗi lumen. Khả năng chịu nhiệt ảnh hưởng đến độ tin cậy và tuổi thọ. Công suất tiêu tán ảnh hưởng đến ứng dụng của khách hàng. Bao bì tốt cân bằng các yếu tố này và đáp ứng nhu cầu của khách hàng.

Thông thường, các tấm nền nhôm một lớp hoặc hai lớp được sử dụng làm bộ tản nhiệt. Một hoặc nhiều chip được gắn trực tiếp lên bề mặt nhôm (hoặc đồng) của tấm nền. Các điện cực p và n của chip được hàn dây vào lớp đồng mỏng trên bề mặt tấm nền. Số lượng chip trên bo mạch phụ thuộc vào công suất yêu cầu; các gói chip có thể được kết hợp để tạo ra LED công suất cao 1 W, 2 W, 3 W. Cuối cùng, một vật liệu có chỉ số khúc xạ cao được đúc hoặc phun lên các LED theo thiết kế quang học.

Các loại kim loại nhôm cơ bản

Các series nhôm thông dụng được sử dụng làm vật liệu nền bao gồm series 1000, 5000 và 6000:

• Dòng 1000Ví dụ 1050, 1060, 1070. Đây là các hợp kim nhôm gần như tinh khiết (≥ 99,1% Al). Chúng dễ sản xuất và có chi phí thấp. Được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nói chung.
• Dòng 5000Ví dụ: 5052, 5005, 5083, 5A05. Đây là các hợp kim nhôm-magie (Mg ~3–5%). Chúng có mật độ thấp, độ bền kéo cao và độ dẻo tốt. Trọng lượng nhẹ hơn cho cùng một diện tích. Được sử dụng trong ngành hàng không (bình chứa nhiên liệu) và các ứng dụng công nghiệp chung.
• Dòng 6000Ví dụ 6061. Chứa Mg và Si, dòng này kết hợp các ưu điểm của dòng 4000 và 5000. Nó có thể được xử lý nhiệt, có khả năng chống ăn mòn tốt, tính gia công và phủ bề mặt tốt, độ bền cao. Được sử dụng trong các bộ phận máy bay, bộ phận máy ảnh, bộ nối, phụ tùng tàu thủy, phụ kiện kim loại, bộ phận điện tử và bộ kết nối.

Bảng mạch nhôm LED so với bảng mạch nhôm PCB

Các tấm nền nhôm LED được thiết kế chuyên dụng cho ngành công nghiệp LED và được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống tản nhiệt. Chúng có độ dẫn nhiệt cao, điện trở nhiệt thấp, tuổi thọ dài và khả năng chịu điện áp tốt. Các tấm nền nhôm LED đã mở rộng ứng dụng của LED trong các lĩnh vực như đèn chỉ báo trên thiết bị gia dụng, đèn pha ô tô, đèn đường và biển quảng cáo ngoài trời cỡ lớn.

Độ dẫn nhiệt của bảng nhôm LED phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu cách điện ở giữa (thường là polymer dẫn nhiệt hoặc keo dán nhiệt). Độ dẫn nhiệt, điện trở nhiệt và khả năng chịu điện áp là ba tiêu chí chất lượng chính. Sau khi ép laminate, độ dẫn nhiệt được đo bằng các thiết bị chuyên dụng. Vật liệu gốm và đồng có độ dẫn nhiệt cao hơn, nhưng giới hạn chi phí khiến hầu hết các thị trường phải sử dụng bảng nhôm làm nền. Các giá trị độ dẫn nhiệt cao hơn thường đồng nghĩa với hiệu suất tốt hơn.

Một bảng mạch in (PCB) có chất liệu nền là hợp kim nhôm thay vì FR-4 (sợi thủy tinh-epoxy).

Giá của tấm nền nhôm

Với sự cải tiến trong công nghệ sản xuất và thiết bị, giá của các tấm nền nhôm đã trở nên hợp lý hơn. Các nhà cung cấp thường không công bố giá công khai. Vui lòng liên hệ với nhà cung cấp (ví dụ: Yifang Electronics) để nhận báo giá cụ thể.

Thời gian sản xuất cho các tấm nhôm

(A) Ghi chú lập kế hoạch đơn hàng

• Thời gian sản xuất: Thiết kế mẫu 3–5 ngày; sản xuất hàng loạt 5–7 ngày.
• Yêu cầu về chất lượng: Xác định chi tiết của khách hàng (kích thước, độ dày, quy trình, hóa đơn, vận chuyển, yêu cầu đặc biệt).
• Kế hoạch hợp tác: Xác nhận xem có đơn đặt hàng tiếp theo với số lượng lớn hoặc hợp tác lâu dài hay không.

(B) Các cách để rút ngắn thời gian chờ đợi kéo dài

• Luôn có sẵn kho dự trữ các loại vật liệu nền nhôm thông dụng.
• Thêm ca ngày và ca đêm để tăng tốc sản xuất.
• Thương lượng với khách hàng về các ngày giao hàng đã điều chỉnh.

Vật liệu nền nhôm có độ dẫn nhiệt cao và độ dẫn nhiệt

Độ dẫn nhiệt là thông số quan trọng đối với quá trình tản nhiệt và là một trong ba tiêu chí chất lượng chính (hai tiêu chí còn lại là điện trở nhiệt và khả năng chịu điện áp). Độ dẫn nhiệt được đo sau quá trình ép laminate. Gốm và đồng có độ dẫn nhiệt cao hơn, nhưng chi phí khiến nhôm trở thành vật liệu chủ đạo. Độ dẫn nhiệt là thông số cốt lõi; giá trị cao hơn thường đồng nghĩa với hiệu suất tốt hơn.

Vật liệu nền nhôm kết hợp các tính chất cách nhiệt tốt, cách điện và khả năng gia công cơ khí. Chúng được sử dụng rộng rãi trong thiết kế LED và các thiết bị điện tử khác. Thiết kế nhiệt cho LED thường sử dụng mô phỏng CFD (dòng chảy động lực học tính toán) và các tính toán nhiệt cơ bản, những yếu tố quan trọng trong quá trình sản xuất vật liệu nền.

Kháng lực dòng chảy (kháng lực thủy lực) là do độ nhớt của chất lỏng và các bề mặt rắn. Nó bao gồm kháng lực ma sát dọc theo đường dòng chảy và kháng lực cục bộ tại các điểm thay đổi đột ngột (thay đổi diện tích đột ngột, góc cong).

Các bước thiết kế tản nhiệt LED thông thường:

1. Thiết kế cấu trúc tản nhiệt trong điều kiện hạn chế.
2. Tối ưu hóa độ dày cánh tản nhiệt, hình dạng cánh tản nhiệt, khoảng cách giữa các cánh tản nhiệt và độ dày vật liệu nền theo quy tắc thiết kế tản nhiệt.
3. Kiểm tra các tính toán để đảm bảo hiệu suất làm mát đạt được các mục tiêu đề ra.

Thiết kế nhiệt cho các tấm nền nhôm

(A) Tại sao Thiết kế Nhiệt là Cần Thiết

Nhiệt độ cao gây hại cho thiết bị điện tử: lớp cách điện bị hư hỏng, các linh kiện bị hỏng, vật liệu bị lão hóa, các mối hàn có nhiệt độ nóng chảy thấp bị nứt và các mối hàn bị bong ra.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với các thành phần:

• Nhiệt độ cao hơn làm giảm giá trị điện trở.
• Nhiệt độ cao làm giảm tuổi thọ của tụ điện.
• Nhiệt độ cao làm hỏng cách điện của biến áp và cuộn cảm; nhiệt độ cho phép thường < 95 °C.
• Sự thay đổi nhiệt độ quá mức làm hình thành các hợp chất kim loại giữa các kim loại (IMC), khiến các mối hàn trở nên giòn và yếu hơn.
• Nhiệt độ tiếp điểm cao hơn (Tj) làm tăng hệ số khuếch đại của transistor, làm tăng dòng điện thu và tiếp tục làm tăng Tj, điều này có thể dẫn đến hỏng hóc.

(B) Mục tiêu của Thiết kế Nhiệt

Giữ tất cả các thành phần ở nhiệt độ không vượt quá nhiệt độ định mức tối đa trong môi trường làm việc dự kiến. Nhiệt độ tối đa cho phép được xác định thông qua phân tích ứng suất và phải phù hợp với mục tiêu độ tin cậy của sản phẩm và tỷ lệ hỏng hóc được chỉ định cho từng thành phần.

(C) Giải pháp cho các vấn đề về nhiệt

Nhiệt độ LED là một vấn đề nan giải. Các tấm nền nhôm, với độ dẫn nhiệt cao, có thể tản nhiệt hiệu quả. Thiết kế nên đặt PCB gần tấm nền nhôm và giảm kháng nhiệt từ vật liệu đúc hoặc bao bọc.

Sửa chữa và bảo trì bảng mạch in nhôm (PCB)

Các bước sửa chữa thông thường cho kỹ thuật viên mạch in (PCB):

1. Phân tích lỗiXác định và thu hẹp phạm vi lỗi của bảng mạch.
2. Kiểm tra bằng mắt thườngNghiên cứu các yếu tố đầu vào/đầu ra, chức năng và vùng điều khiển.
3. Kiểm tra mạchThực hiện các kiểm tra ban đầu để loại trừ các lỗi chung và hướng dẫn việc sửa chữa.
4. Kiểm tra thành phầnThường xuyên tháo hàn các linh kiện và kiểm tra chúng bằng thiết bị; việc này có thể làm hỏng bề mặt bên ngoài của bo mạch, do đó kỹ thuật viên tránh tháo gỡ không cần thiết.
5. Sửa chữa sự cốSửa chữa các vết hư hỏng, thay thế các bộ phận hoặc điều chỉnh mạch điện.
6. Kiểm tra chức năngKiểm tra bo mạch đã sửa chữa và thực hiện các bài kiểm tra hệ thống sau khi đã vượt qua các kiểm tra điện.

Xử lý chất thải cho các vật liệu nền nhôm

PCBs được làm từ sợi thủy tinh, epoxy và nhiều hợp chất kim loại. Việc xử lý không đúng cách các bảng nhôm đã qua sử dụng có thể giải phóng các chất chống cháy brom hóa và các chất gây ung thư khác, gây ô nhiễm nghiêm trọng và nguy cơ sức khỏe. Đồng thời, các bảng mạch thải có giá trị kinh tế cao: hàm lượng kim loại có thể gấp nhiều lần so với quặng tự nhiên. Hàm lượng kim loại có thể đạt 10–60%, chủ yếu là đồng, cùng với vàng, bạc, niken, thiếc, chì và các kim loại hiếm. Hàm lượng kim loại trong quặng tự nhiên chỉ khoảng 3–5%.

Các nghiên cứu cho thấy 1 tấn linh kiện máy tính có thể chứa khoảng 0,9 kg vàng, 270 kg nhựa, 128,7 kg đồng, 1 kg sắt, 58,5 kg chì, 39,6 kg thiếc, 36 kg niken, 19,8 kg antimon, cùng với palladium và platinum. Do đó, rác thải PCB được gọi là “mỏ cần khai thác”.”

Các cuộc điều tra cho thấy phần lớn chất thải PCB và phế liệu khung được vận chuyển đến các khu vực xa xôi để đốt hoặc xử lý bằng nước, gây ra ô nhiễm thứ cấp nghiêm trọng:

• Quá trình đốt cháy tạo ra mùi hôi nồng nặc và các hợp chất brom hóa độc hại. Điều này bị cấm bởi các cơ quan quản lý môi trường, nhưng vẫn xảy ra ở các khu vực hẻo lánh.
• Rửa bằng nước là phương pháp rẻ tiền, đơn giản và được sử dụng rộng rãi. Phương pháp này tạo ra một lượng lớn chất thải (không chứa kim loại, khoảng 80% trọng lượng bảng). Chất thải này khó xử lý, và nhiều công ty thải nó như rác thải thông thường.

Ứng dụng và Tính năng của Vật liệu nền nhôm

(A) Tính năng của ứng dụng

• Độ dẫn nhiệt xuất sắc.
• Mặt đồng đơn nghĩa là các linh kiện chỉ có thể được đặt trên mặt đồng.
• Không thể mở các lỗ dây như trên bảng mạch một mặt cho các cầu nối.
• Thường được sử dụng cho các thiết bị gắn bề mặt; các thiết bị chỉnh lưu hoặc thiết bị công suất tản nhiệt qua đế, mang lại độ kháng nhiệt thấp và độ tin cậy cao.
• Biến áp có thể sử dụng các hình dạng SMD phẳng và tản nhiệt qua đế, giúp giảm nhiệt độ tăng và tăng công suất đầu ra cho cùng kích thước.

(B) Ghi chú về hàn tay

Vì các vật liệu nền nhôm dẫn nhiệt tốt, việc hàn tay quy mô nhỏ có thể làm nguội chì hàn quá nhanh và gây ra vấn đề. Mẹo thực tế:

1. Sử dụng bàn ủi gia đình có thể điều chỉnh nhiệt độ. Lật bàn ủi sao cho mặt phẳng hướng lên trên và cố định nó.
2. Đặt nhiệt độ gần 150 °C và làm nóng tấm nhôm trong thời gian ngắn.
3. Sau đó, đặt và hàn các linh kiện như bình thường. Sử dụng nhiệt độ phù hợp để việc hàn dễ dàng hơn — nhiệt độ quá cao có thể làm hỏng linh kiện hoặc làm bong tróc đồng, nhiệt độ quá thấp sẽ cho ra các mối hàn kém chất lượng. Điều chỉnh nhiệt độ khi cần thiết.