Perché e Come Utilizzare un Substrato in Alluminio per il Tuo Prossimo Design di Stackup

L'alluminio può essere utilizzato per molto più che semplici lattine di soda

Non bevo più tanto soda ora che sono nei miei trent'anni, ma so che l'alluminio ha molteplici utilizzi al di fuori della produzione di lattine di coca. Un utilizzo è nel nucleo della tua PCB come materiale per la gestione termica. L'alluminio ha un'elevata conducibilità termica e può essere utilizzato per allontanare il calore dai componenti attivi su una PCB quando altre misure di raffreddamento passive o attive non riescono a portare le temperature dei componenti a un livello sufficientemente basso.

Utilizzare una PCB in Alluminio per la Gestione Termica

I componenti attivi dissipano una quantità significativa di potenza, quindi l'uso di un ventilatore di raffreddamento su una CPU o altri componenti con un grande numero di transistor di commutazione. Se la temperatura ambiente è eccessivamente alta, le misure di raffreddamento attivo saranno utili solo per riportare la temperatura della scheda vicino al livello ambiente. Inoltre, è possibile dissipare solo una certa quantità di calore con il raffreddamento attivo. Qui è dove alcune strategie aggiuntive devono essere utilizzate per dissipare il calore lontano dai tuoi componenti attivi.

L'alluminio è un materiale alternativo che può essere utilizzato nel nucleo di un PCB, comunemente indicato con il termine improprio "PCB in alluminio". Utilizzare l'alluminio come nucleo metallico in un PCB consente di dissipare facilmente il calore lontano dai componenti attivi grazie alla sua elevata conducibilità termica. L'elevata conducibilità termica dell'alluminio o di un altro metallo nel nucleo di un PCB permette di distribuire il calore in modo più uniforme in tutta la scheda.

Contrastare ciò con l'FR4, che è un conduttore termico relativamente scarso rispetto a un numero di altri materiali alternativi per i substrati dei PCB. I punti caldi su un PCB possono formarsi vicino ai componenti attivi, quindi l'uso di misure di raffreddamento attive e passive per dissipare il calore e portare la temperatura a un livello sicuro. Il calore generato dai componenti attivi può anche essere trasportato lontano dallo strato dei componenti e in un piano di massa o di alimentazione interno utilizzando vie termiche e piazzole.

Nei circuiti con nucleo in FR4, i piani di massa/alimentazione sono limitati nella quantità di calore che possono trasportare intorno alla scheda, poiché i nuclei hanno una bassa conducibilità termica. Le vie termiche e le piazzole possono aiutare con la dissipazione del calore, ma spesso è necessario utilizzare altre strategie per portare la temperatura operativa dei componenti a un livello sicuro.

Un impilamento di PCB in Alluminio

Sebbene un PCB in alluminio possa sembrare una scelta insolita da un punto di vista produttivo, l'impilamento che può essere utilizzato con un PCB in alluminio assomiglia effettivamente agli impilamenti che possono essere utilizzati con substrati FR4. Un esempio di impilamento è mostrato nell'immagine qui sotto:

Esempio di impilamento di strati con un PCB in alluminio

Un impilamento per PCB in alluminio dovrebbe essere progettato tenendo conto delle seguenti considerazioni:

• Strato superficiale: Questo è uno strato standard in lamina di rame. Alcuni produttori raccomanderanno di utilizzare rame più pesante (fino a 10 oz) rispetto a quello che sarebbe utilizzato su FR4.

• Strato dielettrico: Lo strato dielettrico interno può essere qualsiasi strato termicamente conduttivo che funzioni come un prepreg. Questo può essere uno strato polimerico o ceramico. Optare per un materiale con una maggiore conducibilità termica, in particolare una ceramica con un alto rapporto di conducibilità termica a elettrica, aiuterà nella gestione termica pur fornendo un'adeguata isolazione. Lo spessore tipico dello strato dielettrico è di 0,05 a 0,2 mm.

• Strato di membrana in alluminio: Lo strato di membrana in alluminio svolge un ruolo protettivo in quanto protegge il nucleo in alluminio dall'incisione indesiderata. Questo è uno strato isolante molto sottile che svolge un ruolo importante per qualsiasi via che viene trapanata attraverso il nucleo (vedi sotto).

• Nucleo in alluminio: Lo strato interno è il nucleo in alluminio con alta conducibilità termica. La maggior parte delle schede in alluminio ha uno spessore di 0,5 mm, sebbene si possano utilizzare schede più spesse per fornire una maggiore stabilità strutturale.

Si noti che è possibile forare vie attraverso il nucleo in alluminio, anche se sarà necessario coprire l'interno del foro della via con uno strato di membrana in alluminio per formare uno strato isolante tra la parete della via in rame e il nucleo. Se si sceglie di utilizzare un nucleo in alluminio più spesso, i costi dei materiali e i costi di fabbricazione aumenteranno.

Alcune applicazioni delle PCB in alluminio

Poiché i laminati utilizzati in una PCB in alluminio dissipano il calore più rapidamente rispetto al FR4, possono essere utilizzati in una varietà di sistemi che generano un calore significativo. Un eccellente esempio è nelle matrici di illuminazione a LED. LED SMD che operano ad alta potenza producono una quantità significativa di calore. Il calore dissipato dal nucleo in alluminio sposta rapidamente il calore lontano dai LED, il che ne estende la durata.

Matrice di illuminazione con LED SMD

Le PCB con nucleo in alluminio sottile possono essere realizzate anche come PCB flessibili. Sia i PCB flessibili statici che quelli dinamici possono essere fabbricati a partire da PCB in alluminio. Poiché la ceramica è molto meno duttile dell'alluminio, non dovrebbe essere utilizzata nei PCB flessibili in alluminio. Pertanto, i laminati polimerici dovrebbero essere utilizzati come strato dielettrico in queste schede.

I PCB in alluminio offrono altri vantaggi oltre alla gestione termica. Sono stati menzionati sopra la rigidità e una maggiore resistenza alla flessione e agli shock. Inoltre, il nucleo metallico offre una migliore schermatura EMI, quindi un PCB in alluminio è utile anche in un ambiente elettricamente rumoroso. I nuclei metallici sono anche più ecologici rispetto a FR4 o altri materiali, poiché l'alluminio è riciclabile.

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