Por Que e Como Usar um Substrato de PCB de Alumínio para o Seu Próximo Design de Empilhamento

O alumínio pode ser usado para muito mais do que apenas latas de refrigerante

Eu não bebo tanto refrigerante agora que estou na casa dos trinta, mas sei que o alumínio tem muitas utilidades além de fazer latas de coca. Um uso é no núcleo da sua PCB como material para gestão térmica. O alumínio possui alta condutividade térmica e pode ser usado para dissipar calor dos componentes ativos em uma PCB quando outras medidas de resfriamento passivo ou ativo não conseguem reduzir a temperatura dos componentes para um nível suficientemente baixo.

Usando uma PCB de Alumínio para Gestão Térmica

Componentes ativos dissipam uma quantidade significativa de energia, portanto, o uso de um ventilador de resfriamento em um CPU ou outros componentes com um grande número de transistores de comutação. Se a temperatura ambiente estiver excessivamente alta, medidas de resfriamento ativo só serão úteis para trazer a temperatura da placa de volta para perto do nível ambiente. Além disso, só é possível dissipar uma certa quantidade de calor com resfriamento ativo. É aqui que algumas estratégias adicionais precisam ser usadas para dissipar calor dos seus componentes ativos.

O alumínio é um material alternativo que pode ser usado no núcleo de uma PCB, comumente referido pelo termo incorreto "pcb de alumínio". Usar alumínio como o núcleo metálico em uma PCB permite que ele dissipe facilmente o calor dos componentes ativos graças à sua alta condutividade térmica. A alta condutividade térmica do alumínio ou de outro metal no núcleo de uma PCB permite que o calor seja distribuído de forma mais uniforme por toda a placa.

Contraste isso com o FR4, que é um condutor térmico relativamente pobre comparado a uma série de materiais alternativos para substratos de PCB. Pontos quentes em uma PCB podem se formar perto de componentes ativos, portanto, o uso de medidas de resfriamento ativo e passivo para dissipar o calor e trazer a temperatura para um nível seguro. O calor gerado por componentes ativos também pode ser transportado para longe da camada de componentes e para um plano de terra ou de energia interior usando vias térmicas e terras.

Em placas com um núcleo de FR4, os planos de terra/energia são limitados na quantidade de calor que podem transportar pela placa, já que os núcleos têm baixa condutividade térmica. Vias térmicas e terras podem ajudar na dissipação de calor, mas outras estratégias muitas vezes precisam ser usadas para reduzir a temperatura operacional dos componentes para um nível seguro.

Um Empilhamento de PCB de Alumínio

Embora uma PCB de alumínio possa parecer uma escolha estranha do ponto de vista da fabricação, o empilhamento que pode ser usado com uma PCB de alumínio na verdade se assemelha aos empilhamentos que podem ser usados com substratos FR4. Um exemplo de empilhamento é mostrado na imagem abaixo:

Exemplo de empilhamento de camadas com uma PCB de alumínio

Um empilhamento de PCB de alumínio deve ser projetado com as seguintes considerações:

• Camada superficial: Esta é uma camada padrão de folha de cobre. Alguns fabricantes recomendarão que você use cobre mais pesado (até 10 oz) do que seria usado em FR4.

• Camada dielétrica: A camada dielétrica interna pode ser qualquer camada termicamente condutiva que funcione como um prepreg. Isso pode ser uma camada de polímero ou cerâmica. Optar por um material com maior condutividade térmica, particularmente uma cerâmica com alta razão de condutividade térmica para elétrica, ajudará no gerenciamento térmico enquanto também fornece isolamento suficiente. A espessura típica da camada dielétrica é de 0,05 a 0,2 mm.

• Camada de membrana de alumínio: A camada de membrana de alumínio desempenha um papel protetor na medida em que protege o núcleo de alumínio de gravações indesejadas. Esta é uma camada isolante muito fina que desempenha um papel importante para quaisquer vias que sejam perfuradas através do núcleo (veja abaixo).

• Núcleo de alumínio: A camada interna é o núcleo de alumínio com alta condutividade térmica. A maioria das placas de alumínio tem 0,5 mm de espessura, embora placas mais grossas possam ser usadas para proporcionar maior estabilidade estrutural.

Note que vias podem ser perfuradas através do núcleo de alumínio, embora a camada de membrana de alumínio precise cobrir o interior do furo da via para formar uma camada isolante entre a parede de cobre da via e o núcleo. Se você optar por usar um núcleo de alumínio mais espesso, seus custos de material e de fabricação aumentarão.

Algumas Aplicações de PCBs de Alumínio

Como os laminados usados em um PCB de alumínio dissipam calor mais rapidamente do que FR4, eles podem ser usados em uma variedade de sistemas que geram calor significativo. Um excelente exemplo está em arranjos de iluminação LED. LEDs SMD que operam em alta potência produzem uma quantidade significativa de calor. O calor dissipado pelo núcleo de alumínio move rapidamente o calor para longe dos LEDs, o que estende sua vida útil.

Arranjo de iluminação com LEDs SMD

Placas de circuito impresso (PCBs) com núcleo de alumínio fino podem até ser fabricadas como PCBs flexíveis. Tanto PCBs flexíveis estáticas quanto dinâmicas podem ser fabricadas a partir de PCBs de alumínio. Como a cerâmica é muito menos dúctil do que o alumínio, ela não deve ser usada em PCBs flexíveis de alumínio. Portanto, laminados poliméricos devem ser usados como a camada dielétrica nessas placas.

As PCBs de alumínio oferecem outros benefícios além do gerenciamento térmico. Rigidez e maior resistência contra dobras e choques foram mencionados acima. Além disso, o núcleo metálico oferece melhor blindagem contra EMI, tornando assim uma PCB de alumínio também útil em um ambiente eletricamente ruidoso. Núcleos metálicos também são mais ecologicamente corretos do que FR4 ou outros materiais, já que o alumínio é reciclável.

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