なぜ、そしてどのようにして次のスタックアップ設計にアルミニウムPCB基板を使用するか

アルミニウムは、ただのソーダ缶以上のものに使えます

30代になってからはあまりソーダを飲まなくなりましたが、コーラの缶を作る以外にもアルミニウムには多くの用途があることを知っています。その一つが、PCBのコアとしての熱管理のための材料としての使用です。アルミニウムは高い熱伝導率を持ち、他の受動的または能動的な冷却手段ではコンポーネントの温度を十分に低下させることができない場合に、PCB上のアクティブコンポーネントから熱を運び去るために使用することができます。

熱管理のためのアルミニウムPCBの使用

アクティブコンポーネントは大量の電力を消散させるため、CPUや大量のスイッチングトランジスタを持つ他のコンポーネントに冷却ファンを使用します。周囲温度が過度に高い場合、能動的な冷却手段は、基板の温度を周囲のレベルに近づけるためにのみ有効です。さらに、能動的な冷却で放散できる熱量には限界があります。これが、アクティブコンポーネントから熱を逃がすために追加の戦略が必要とされる場所です。

アルミニウムは、PCBのコアに使用できる代替材料の一つであり、一般に誤って「アルミニウムPCB」と呼ばれることがあります。PCBの金属コアとしてアルミニウムを使用することで、その高い熱伝導率のおかげで、アクティブコンポーネントから熱を容易に逃がすことができます。アルミニウムまたは他の金属をPCBのコアに使用することで、熱がボード全体により均一に分散されます。

これをFR4と比較すると、FR4はPCB基板用の代替材料の中でも比較的熱伝導率が低い方です。PCB上のアクティブコンポーネントの近くにホットスポットが形成されることがあり、熱を逃がし、温度を安全なレベルに保つためにアクティブおよびパッシブの冷却手段が使用されます。アクティブコンポーネントから発生する熱は、熱ビアやランドを使用して、コンポーネント層から内部のグラウンドまたは電源プレーンに運ばれることもあります。

これを、PCB基板用の他の代替材料と比較して、比較的熱伝導率が低いFR4と対比してください。 PCBのホットスポットはアクティブコンポーネントの近くに形成される可能性があるため、熱を放散して温度を安全なレベルに下げるために、アクティブおよびパッシブ冷却手段を使用します。 アクティブコンポーネントによって生成された熱は、熱ビアやランドを使用して、コンポーネント層から内部のグラウンドまたは電源プレーンに移動させることもできます。

アルミニウムPCBスタックアップ

アルミニウムPCBを製造の観点から見ると奇妙な選択に思えるかもしれませんが、アルミニウムPCBで使用できるスタックアップは、FR4基板で使用できるスタックアップに似ています。以下の画像に示すスタックアップの例です：

アルミニウムPCBの例示レイヤースタック

アルミニウムPCBスタックアップは、以下の考慮事項で設計されるべきです：

• 表面層：これは標準の銅箔層です。一部のメーカーは、FR4で使用されるよりも重い銅（最大10オンス）の使用を推奨します。

• 誘電体層：内部の誘電体層は、プリプレグとして機能する任意の熱伝導性層です。これはポリマーやセラミック層であることができます。特に熱伝導率に対する電気伝導率の比率が高いセラミックを選択することで、熱管理を助けつつ十分な絶縁を提供します。誘電体層の典型的な厚さは0.05から0.2 mmです。

• アルミニウム膜層：アルミニウム膜層は、望ましくないエッチングからアルミニウムコアを保護する保護的な役割を果たします。これは非常に薄い絶縁層であり、コアを通してドリルされた任意のビア（下記参照）にとって重要な役割を果たします。

• アルミニウムコア：内部層は高熱伝導性を持つアルミニウムコアです。ほとんどのアルミニウム基板は0.5 mm厚ですが、より大きな構造安定性を提供するために、より厚い基板を使用することができます。

ビアをアルミニウムコアを通して穿孔することができますが、銅ビア壁とコアの間に絶縁層を形成するために、ビア穴の内部を覆うためにアルミニウム膜層が必要になります。もし、より厚いアルミニウムコアを使用することを選択した場合、材料費と製造費が増加します。

アルミニウムPCBのいくつかの応用

アルミニウムPCBに使用されるラミネートはFR4よりも速く熱を放散するため、大量の熱を発生させる様々なシステムで使用することができます。一つの優れた例はLED照明アレイです。SMD LEDは高出力で動作すると大量の熱を発生します。アルミニウムコアによって放散される熱は迅速にLEDから熱を遠ざけるため、その寿命を延ばします。

SMD LEDを使用した照明アレイ

アルミニウムコアのPCBは、フレキシブルPCBとしても製造することができます。静的および動的フレックスPCBは、アルミニウムPCBから製造することが可能です。セラミックスはアルミニウムよりも延性が低いため、フレキシブルアルミニウムPCBには使用すべきではありません。したがって、これらのボードではポリマーラミネートを誘電体層として使用すべきです。

アルミニウムPCBは、熱管理を超えた他の利点を提供します。上述したように、剛性と曲げや衝撃に対する強度が高いです。さらに、金属コアはEMIシールドを向上させるため、電気的に騒がしい環境でもアルミニウムPCBは有用です。金属コアはFR4や他の材料よりも環境に優しいです。なぜなら、アルミニウムはリサイクル可能だからです。

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