Dlaczego i jak użyć podłoża PCB z aluminium dla Twojego następnego projektu układu warstwowego

Aluminium może być używany nie tylko do produkcji puszek po napojach

Nie piję już tak dużo napojów gazowanych, odkąd mam trzydzieści lat, ale wiem, że aluminium ma wiele zastosowań poza tworzeniem puszek po coli. Jednym z zastosowań jest wykorzystanie go w rdzeniu twojej płytki PCB jako materiału do zarządzania ciepłem. Aluminium ma wysoką przewodność cieplną i może być używane do odprowadzania ciepła od aktywnych komponentów na PCB, gdy inne pasywne lub aktywne metody chłodzenia nie są w stanie obniżyć temperatury komponentów do wystarczająco niskiego poziomu.

Używanie PCB z aluminium do zarządzania ciepłem

Aktywne komponenty rozpraszają znaczną ilość mocy, stąd użycie wentylatora chłodzącego na CPU lub innych komponentach z dużą liczbą tranzystorów przełączających. Jeśli temperatura otoczenia jest nadmiernie wysoka, aktywne metody chłodzenia będą przydatne tylko do obniżenia temperatury płyty do poziomu zbliżonego do temperatury otoczenia. Ponadto, istnieje limit ilości ciepła, które można rozproszyć za pomocą chłodzenia aktywnego. Tutaj potrzebne są dodatkowe strategie, aby odprowadzić ciepło od twoich aktywnych komponentów.

Aluminium jest jednym z alternatywnych materiałów, który może być używany w rdzeniu PCB, często błędnie określanym mianem „aluminiowa PCB”. Użycie aluminium jako metalowego rdzenia w PCB pozwala na łatwe odprowadzanie ciepła od aktywnych komponentów dzięki jego wysokiej przewodności cieplnej. Wysoka przewodność cieplna aluminium lub innego metalu w rdzeniu PCB pozwala na bardziej równomierne rozprowadzanie ciepła po całej płycie.

W porównaniu do tego, FR4, który jest stosunkowo słabym przewodnikiem ciepła w porównaniu z wieloma innymi alternatywnymi materiałami dla podłoży PCB. Gorące punkty na PCB mogą powstawać w pobliżu aktywnych komponentów, stąd stosowanie aktywnych i pasywnych środków chłodzących do odprowadzania ciepła i obniżania temperatury do bezpiecznego poziomu. Ciepło generowane przez aktywne komponenty może być również transportowane z warstwy komponentów do wewnętrznej warstwy masy lub zasilania za pomocą termicznych via i padów.

W płytach z rdzeniem FR4, warstwy masy/zasilania są ograniczone w ilości ciepła, które mogą transportować po płycie, ponieważ rdzenie mają niską przewodność cieplną. Termiczne via i pady mogą pomóc w odprowadzaniu ciepła, ale często potrzebne są inne strategie, aby obniżyć temperaturę pracy komponentów do bezpiecznego poziomu.

Układ warstw PCB z aluminium

Chociaż płyta PCB z aluminium może wydawać się dziwnym wyborem z punktu widzenia produkcji, układ warstw, który można zastosować w przypadku PCB z aluminium, faktycznie przypomina układy stosowane przy podłożach FR4. Przykładowy układ warstw przedstawiono na poniższym obrazie:

Przykładowy układ warstw z płytą PCB z aluminium

Projektując układ warstw PCB z aluminium, należy wziąć pod uwagę następujące kwestie:

• Warstwa powierzchniowa: Jest to standardowa warstwa folii miedzianej. Niektórzy producenci mogą zalecić użycie cięższej miedzi (do 10 oz) niż stosowana na FR4.

• Warstwa dielektryczna: Wewnętrzna warstwa dielektryczna może być dowolną warstwą termoprzewodzącą, która funkcjonuje jako prepreg. Może to być warstwa polimerowa lub ceramiczna. Wybór materiału o wyższej przewodności cieplnej, szczególnie ceramiki o wysokim stosunku przewodności cieplnej do elektrycznej, pomoże w zarządzaniu ciepłem, zapewniając jednocześnie odpowiednią izolację. Typowa grubość warstwy dielektrycznej wynosi od 0,05 do 0,2 mm.

• Warstwa membrany aluminiowej: Warstwa membrany aluminiowej pełni rolę ochronną, chroniąc rdzeń aluminiowy przed niechcianym trawieniem. Jest to bardzo cienka warstwa izolacyjna, która odgrywa ważną rolę dla wszelkich przewiertów przez rdzeń (patrz poniżej).

• Rdzeń aluminiowy: Wewnętrzną warstwą jest rdzeń aluminiowy o wysokiej przewodności cieplnej. Większość płyt aluminiowych ma grubość 0,5 mm, chociaż można użyć grubszych płyt, aby zapewnić większą stabilność strukturalną.

Należy zauważyć, że przez rdzeń aluminiowy można wiercić przelotki, chociaż aluminiowa warstwa membranowa musi pokrywać wnętrze otworu przelotki, aby utworzyć izolacyjną warstwę między ścianką przelotki miedzianej a rdzeniem. Jeśli zdecydujesz się na użycie grubszej płyty aluminiowej, koszty materiałów i koszty produkcji wzrosną.

Niektóre zastosowania płyt PCB z aluminium

Ponieważ laminaty używane w PCB z aluminium rozpraszają ciepło szybciej niż FR4, mogą być używane w różnych systemach generujących znaczące ilości ciepła. Doskonałym przykładem są układy oświetleniowe LED. Dioda LED SMD pracująca przy wysokiej mocy generuje znaczną ilość ciepła. Ciepło rozpraszane przez rdzeń aluminiowy szybko odprowadza ciepło od diod LED, co przedłuża ich żywotność.

Układ oświetleniowy z diodami LED SMD

Płytki PCB z cienkiego rdzenia aluminiowego mogą być nawet produkowane jako elastyczne PCB. Zarówno statyczne, jak i dynamiczne elastyczne PCB mogą być wykonane z PCB aluminiowych. Ponieważ ceramika jest znacznie mniej plastyczna niż aluminium, nie powinna być używana w elastycznych PCB aluminiowych. Dlatego też, jako warstwę dielektryczną w tych płytach, powinny być używane laminaty polimerowe.

Płytki PCB z aluminium oferują inne korzyści poza zarządzaniem ciepłem. Wyżej wspomniano o sztywności i większej wytrzymałości na zginanie i wstrząsy. Ponadto, metalowe rdzenie zapewniają lepsze ekranowanie EMI, co sprawia, że PCB z aluminium są również użyteczne w środowisku o dużym zanieczyszczeniu elektrycznym. Rdzenie metalowe są również bardziej przyjazne dla środowiska niż FR4 czy inne materiały, ponieważ aluminium jest materiałem nadającym się do recyklingu.

Jeśli zdecydujesz się użyć PCB z aluminium w swoim następnym urządzeniu, będziesz potrzebować narzędzi projektowych, które zawierają obszerną bibliotekę materiałów warstwowych oraz intuicyjny menedżer układu warstw. Altium Designer zawiera wszystkie te funkcje i wiele innych, oraz dostarcza wiodące w branży narzędzia projektowe i analityczne w jednym programie. Te ważne funkcje projektowe są również zintegrowane z natywnymi narzędziami projektowania 3D w Altium Designer.

Pobierz swoją darmową wersję próbną Altium Designer już dziś, jeśli jesteś zainteresowany dowiedzeniem się więcej o narzędziach do projektowania wielowarstwowych PCB. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.