Por qué y cómo utilizar un sustrato de PCB de aluminio para su próximo diseño de apilado

El aluminio puede usarse para más que solo latas de refresco

No bebo tanto refresco ahora que estoy en mis treinta, pero sé que el aluminio tiene muchos usos más allá de hacer latas de Coca-Cola. Uno de sus usos es en el núcleo de tu PCB como material para la gestión térmica. El aluminio tiene una alta conductividad térmica y puede usarse para alejar el calor de los componentes activos en un PCB cuando otras medidas de enfriamiento pasivas o activas no pueden reducir la temperatura de los componentes a un nivel suficientemente bajo.

Usando una PCB de Aluminio para la Gestión Térmica

Los componentes activos disipan una cantidad significativa de energía, por lo tanto, el uso de un ventilador de enfriamiento en una CPU u otros componentes con un gran número de transistores de conmutación. Si la temperatura ambiente es excesivamente alta, las medidas de enfriamiento activo solo serán útiles para llevar la temperatura de la placa de nuevo cerca del nivel ambiente. Además, solo puedes disipar tanto calor con el enfriamiento activo. Aquí es donde se necesitan algunas estrategias adicionales para disipar el calor lejos de tus componentes activos.

El aluminio es un material alternativo que puede utilizarse en el núcleo de un PCB, comúnmente referido mediante el término incorrecto "pcb de aluminio". Utilizar aluminio como el núcleo metálico en un PCB permite disipar fácilmente el calor lejos de los componentes activos gracias a su alta conductividad térmica. La alta conductividad térmica del aluminio u otro metal en el núcleo de un PCB permite que el calor se distribuya de manera más uniforme a través de la placa.

Contrasta esto con el FR4, que es un conductor térmico relativamente pobre en comparación con una serie de otros materiales alternativos para sustratos de PCB. Los puntos calientes en un PCB pueden formarse cerca de los componentes activos, por lo tanto, se utiliza el uso de medidas de enfriamiento activas y pasivas para disipar el calor y llevar la temperatura a un nivel seguro. El calor generado por los componentes activos también puede ser transportado lejos de la capa de componentes y hacia un plano interior de tierra o de potencia utilizando vías térmicas y pads.

En placas con un núcleo de FR4, los planos de tierra/potencia están limitados en la cantidad de calor que pueden transportar alrededor de la placa, ya que los núcleos tienen baja conductividad térmica. Las vías térmicas y los pads pueden ayudar con la disipación de calor, pero a menudo se necesitan otras estrategias para reducir la temperatura operativa de los componentes a un nivel seguro.

Un Apilado de PCB de Aluminio

Aunque una PCB de aluminio pueda parecer una elección extraña desde el punto de vista de la fabricación, el apilamiento que se puede utilizar con una PCB de aluminio en realidad se asemeja a los apilamientos que se pueden utilizar con sustratos FR4. A continuación, se muestra un ejemplo de apilamiento en la imagen:

Ejemplo de apilamiento de capas con una PCB de aluminio

Un apilamiento de PCB de aluminio debe diseñarse teniendo en cuenta las siguientes consideraciones:

• Capa superficial: Esta es una capa estándar de lámina de cobre. Algunos fabricantes recomendarán que use cobre más pesado (hasta 10 oz) de lo que se usaría en FR4.

• Capa dieléctrica: La capa dieléctrica interior puede ser cualquier capa térmicamente conductiva que funcione como un prepreg. Esto puede ser una capa de polímero o cerámica. Optar por un material con mayor conductividad térmica, particularmente una cerámica con alta proporción de conductividad térmica a eléctrica, ayudará en la gestión térmica al mismo tiempo que proporciona suficiente aislamiento. El grosor típico de la capa dieléctrica es de 0.05 a 0.2 mm.

• Capa de membrana de aluminio: La capa de membrana de aluminio juega un papel protector en el sentido de que protege el núcleo de aluminio del grabado no deseado. Esta es una capa aislante muy delgada que juega un papel importante para cualquier vía que se taladre a través del núcleo (ver abajo).

• Núcleo de aluminio: La capa interior es el núcleo de aluminio con alta conductividad térmica. La mayoría de las placas de aluminio tienen un grosor de 0.5 mm, aunque se pueden utilizar placas más gruesas para proporcionar una mayor estabilidad estructural.

Tenga en cuenta que se pueden perforar vías a través del núcleo de aluminio, aunque la capa de membrana de aluminio necesitará cubrir el interior del agujero de la vía para formar una capa aislante entre la pared de la vía de cobre y el núcleo. Si opta por utilizar un núcleo de aluminio más grueso, sus costos de material y sus costos de fabricación aumentarán.

Algunas aplicaciones de las PCBs de aluminio

Debido a que los laminados utilizados en una PCB de aluminio disipan el calor más rápido que el FR4, se pueden usar en una variedad de sistemas que generan un calor significativo. Un excelente ejemplo es en arreglos de iluminación LED. LEDs SMD que operan a alta potencia producen una cantidad significativa de calor. El calor disipado por el núcleo de aluminio mueve rápidamente el calor lejos de los LEDs, lo que extiende su vida útil.

Arreglo de iluminación con LEDs SMD

Las PCBs con núcleo de aluminio delgado incluso pueden fabricarse como PCBs flexibles. Tanto las PCBs flexibles estáticas como las dinámicas pueden fabricarse a partir de PCBs de aluminio. Dado que los cerámicos son mucho menos dúctiles que el aluminio, no se deben usar en PCBs flexibles de aluminio. Por lo tanto, se deben usar laminados poliméricos como la capa dieléctrica en estas placas.

Las PCBs de aluminio ofrecen otros beneficios más allá de la gestión térmica. Se mencionaron anteriormente la rigidez y mayor resistencia contra la flexión y los golpes. Además, el núcleo metálico proporciona un mejor blindaje EMI, por lo tanto, una PCB de aluminio también es útil en un entorno eléctricamente ruidoso. Los núcleos metálicos también son más amigables con el medio ambiente que el FR4 u otros materiales, ya que el aluminio es reciclable.

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