Почему и как использовать алюминиевую подложку для печатной платы в вашем следующем дизайне стека

Алюминий можно использовать не только для изготовления банок для газировки

Я перестал так много пить газировку, когда мне исполнилось тридцать, но я знаю, что алюминий имеет множество других применений, помимо производства банок для колы. Одно из таких применений - в качестве материала для теплового управления в сердцевине вашей печатной платы (PCB). Алюминий обладает высокой теплопроводностью и может использоваться для отвода тепла от активных компонентов на печатной плате, когда другие пассивные или активные меры охлаждения не могут снизить температуру компонентов до достаточно низкого уровня.

Использование алюминиевой печатной платы для теплового управления

Активные компоненты рассеивают значительное количество энергии, поэтому используется охлаждающий вентилятор на ЦПУ или других компонентах с большим количеством переключающих транзисторов. Если температура окружающей среды слишком высока, активные меры охлаждения будут полезны только для того, чтобы снизить температуру платы до уровня, близкого к окружающей среде. Кроме того, активным охлаждением можно рассеять только определенное количество тепла. Вот тут-то и нужно использовать дополнительные стратегии для отвода тепла от ваших активных компонентов.

Алюминий является одним из альтернативных материалов, который может использоваться в качестве основы для печатной платы, часто упоминаемой неправильным термином «алюминиевая печатная плата». Использование алюминия в качестве металлической основы печатной платы позволяет легко отводить тепло от активных компонентов благодаря его высокой теплопроводности. Высокая теплопроводность алюминия или другого металла в основе печатной платы позволяет равномерно распределять тепло по всей плате.

В отличие от этого, FR4 является относительно плохим теплопроводником по сравнению с рядом других альтернативных материалов для подложек печатных плат. На печатной плате возле активных компонентов могут образовываться горячие точки, поэтому используются активные и пассивные меры охлаждения для отвода тепла и снижения температуры до безопасного уровня. Тепло, генерируемое активными компонентами, также может быть отведено от слоя компонентов во внутренний слой земли или питания с использованием тепловых переходных отверстий и площадок.

В платах с основой из FR4 слои земли/питания ограничены в количестве тепла, которое они могут переносить по плате, поскольку основы имеют низкую теплопроводность. Тепловые переходные отверстия и площадки могут помочь с рассеиванием тепла, но часто требуются другие стратегии для снижения рабочей температуры компонентов до безопасного уровня.

Структура алюминиевой печатной платы

Хотя использование алюминиевой печатной платы может показаться странным выбором с точки зрения производства, стек, который можно использовать с алюминиевой печатной платой, на самом деле похож на стеки, которые можно использовать с подложками FR4. Пример стека показан на изображении ниже:

Пример стека слоев с алюминиевой печатной платой

При проектировании стека алюминиевой печатной платы следует учитывать следующее:

• Верхний слой: Это стандартный слой медной фольги. Некоторые производители рекомендуют использовать более тяжелую медь (до 10 унций), чем та, которая используется на FR4.

• Диэлектрический слой: Внутренний диэлектрический слой может быть любым теплопроводным слоем, который функционирует как препрег. Это может быть полимерный или керамический слой. Выбор материала с высокой теплопроводностью, особенно керамики с высоким соотношением теплопроводности к электропроводности, поможет управлению теплом, обеспечивая при этом достаточную изоляцию. Типичная толщина диэлектрического слоя составляет от 0,05 до 0,2 мм.

• Алюминиевый мембранный слой: Алюминиевый мембранный слой играет защитную роль, защищая алюминиевое ядро от нежелательного травления. Это очень тонкий изоляционный слой, который играет важную роль для любых сквозных отверстий, просверленных в ядре (см. ниже).

• Алюминиевое основание: Внутренний слой представляет собой алюминиевое основание с высокой теплопроводностью. Большинство алюминиевых плат имеют толщину 0,5 мм, хотя для обеспечения большей структурной устойчивости могут использоваться более толстые платы.

Обратите внимание, что через алюминиевое основание можно просверлить переходные отверстия (виас), однако алюминиевый мембранный слой должен покрывать внутреннюю часть отверстия виаса, чтобы образовать изолирующий слой между медной стенкой виаса и основанием. Если вы решите использовать более толстое алюминиевое основание, ваши материальные затраты и затраты на изготовление увеличатся.

Некоторые применения алюминиевых печатных плат

Поскольку ламинаты, используемые в алюминиевой печатной плате, рассеивают тепло быстрее, чем FR4, они могут использоваться в различных системах, генерирующих значительное количество тепла. Отличным примером являются светодиодные осветительные массивы.SMD светодиоды, работающие при высокой мощности, производят значительное количество тепла. Тепло, рассеиваемое алюминиевым основанием, быстро отводит тепло от светодиодов, что продлевает их срок службы.

Осветительный массив с SMD светодиодами

Тонкие печатные платы с алюминиевым основанием могут быть изготовлены даже как гибкие печатные платы. И статические, и динамические гибкие печатные платы могут быть изготовлены из алюминиевых. Поскольку керамика гораздо менее пластична, чем алюминий, ее не следует использовать в гибких алюминиевых печатных платах. Следовательно, в качестве диэлектрического слоя в этих платах следует использовать полимерные ламинаты.

Алюминиевые печатные платы обеспечивают и другие преимущества, помимо управления теплом. Выше упоминались жесткость и повышенная прочность против изгиба и ударов. Кроме того, металлическое основание обеспечивает лучшую защиту от электромагнитных помех, так что алюминиевая печатная плата также полезна в условиях электрически шумной среды. Металлические основания также более экологичны, чем FR4 или другие материалы, поскольку алюминий подлежит переработке.

Если вы решите использовать алюминиевую печатную плату для вашего следующего устройства, вам понадобятся инструменты проектирования, которые включают обширную библиотеку материалов для слоев и интуитивно понятный менеджер стека. Altium Designer содержит все эти функции и многое другое, предоставляя ведущие в отрасли инструменты проектирования и анализа в одной программе. Эти важные функции проектирования также интегрируются с родными инструментами 3D-проектирования в Altium Designer.

Скачайте бесплатную пробную версию Altium Designer сегодня, если вы хотите узнать больше о его инструментах проектирования многослойных печатных плат. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.