Tại sao và Làm thế nào để Sử dụng Substrate PCB Bằng Nhôm cho Thiết kế Xếp chồng Tiếp theo của Bạn

Aluminium có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác ngoài việc làm lon soda

Tôi không uống soda nhiều nữa từ khi bước vào tuổi ba mươi, nhưng tôi biết rằng aluminium có nhiều công dụng khác ngoài việc làm lon coke. Một trong những ứng dụng là sử dụng làm lõi cho PCB của bạn như một vật liệu quản lý nhiệt. Aluminium có khả năng dẫn nhiệt cao và có thể được sử dụng để dẫn nhiệt ra khỏi các thành phần hoạt động trên một PCB khi các biện pháp làm mát thụ động hoặc chủ động khác không thể giảm nhiệt độ của thành phần xuống mức đủ thấp.

Sử dụng PCB Aluminium cho Quản lý Nhiệt

Các thành phần hoạt động tiêu thụ một lượng lớn công suất, do đó việc sử dụng quạt làm mát trên CPU hoặc các thành phần khác với số lượng lớn transistor chuyển mạch. Nếu nhiệt độ môi trường quá cao, các biện pháp làm mát chủ động chỉ có ích trong việc giảm nhiệt độ của bảng mạch trở lại gần mức nhiệt độ môi trường. Ngoài ra, bạn chỉ có thể tản nhiệt đến một mức độ nhất định với làm mát chủ động. Đây là lúc cần phải sử dụng một số chiến lược bổ sung để tản nhiệt ra khỏi các thành phần hoạt động của bạn.

Nhôm là một vật liệu thay thế có thể được sử dụng trong lõi của một PCB, thường được gọi không chính xác là “PCB nhôm”. Sử dụng nhôm làm lõi kim loại trong PCB giúp nó dễ dàng tản nhiệt ra khỏi các thành phần hoạt động nhờ vào khả năng dẫn nhiệt cao của nó. Khả năng dẫn nhiệt cao của nhôm hoặc một kim loại khác trong lõi của PCB cho phép nhiệt được phân bố đều hơn trên toàn bảng.

Điều này trái ngược với FR4, là một chất dẫn nhiệt tương đối kém so với một số vật liệu thay thế khác cho lớp nền PCB. Các điểm nóng trên PCB có thể hình thành gần các thành phần hoạt động, do đó việc sử dụng các biện pháp làm mát chủ động và bị động để tản nhiệt và giảm nhiệt độ xuống mức an toàn. Nhiệt độ sinh ra từ các thành phần hoạt động cũng có thể được chuyển ra khỏi lớp thành phần và vào một lớp đất hoặc lớp nguồn nội bộ sử dụng các via nhiệt và đất.

Trong các bảng mạch có lõi FR4, các lớp đất/nguồn bị giới hạn về khả năng vận chuyển nhiệt xung quanh bảng mạch, vì lõi có dẫn nhiệt kém. Các via nhiệt và đất có thể giúp tản nhiệt, nhưng thường cần sử dụng các chiến lược khác để giảm nhiệt độ hoạt động của các thành phần xuống mức an toàn.

Một Cấu trúc PCB Nhôm

Mặc dù việc sử dụng PCB bằng nhôm có vẻ như là một lựa chọn kỳ lạ từ quan điểm sản xuất, nhưng cấu trúc có thể sử dụng với PCB nhôm thực sự tương tự như cấu trúc có thể sử dụng với các loại nền FR4. Một ví dụ về cấu trúc được hiển thị trong hình dưới đây:

Ví dụ về cấu trúc lớp với PCB nhôm

Cấu trúc PCB nhôm nên được thiết kế với các xem xét sau:

• Lớp bề mặt: Đây là lớp lá đồng tiêu chuẩn. Một số nhà sản xuất sẽ khuyên bạn nên sử dụng đồng nặng hơn (lên đến 10 oz) so với sẽ được sử dụng trên FR4.

• Lớp điện môi: Lớp điện môi bên trong có thể là bất kỳ lớp dẫn nhiệt nào hoạt động như một lớp prepreg. Điều này có thể là một lớp polymer hoặc lớp gốm. Lựa chọn một vật liệu có khả năng dẫn nhiệt cao hơn, đặc biệt là gốm với tỷ lệ dẫn nhiệt so với dẫn điện cao, sẽ hỗ trợ quản lý nhiệt đồng thời cung cấp đủ cách điện. Độ dày điển hình của lớp điện môi là 0.05 đến 0.2 mm.

• Lớp màng nhôm: Lớp màng nhôm đóng vai trò bảo vệ trong việc nó bảo vệ lõi nhôm khỏi việc ăn mòn không mong muốn. Đây là một lớp cách điện rất mỏng đóng một vai trò quan trọng cho bất kỳ vias nào được khoan qua lõi (xem bên dưới).

• Lõi nhôm: Lớp bên trong là lõi nhôm với khả năng dẫn nhiệt cao. Hầu hết các bảng mạch nhôm có độ dày 0.5 mm, mặc dù các bảng dày hơn có thể được sử dụng để cung cấp độ ổn định cấu trúc lớn hơn.

Lưu ý rằng vias có thể được khoan qua lõi nhôm, tuy nhiên, lớp màng nhôm sẽ cần phải bao phủ bên trong của lỗ via để tạo thành một lớp cách điện giữa tường via bằng đồng và lõi. Nếu bạn chọn sử dụng lõi nhôm dày hơn, chi phí vật liệu và chi phí sản xuất của bạn sẽ tăng lên.

Một số Ứng dụng của Bảng Mạch Nhôm

Vì các lớp phủ sử dụng trong bảng mạch nhôm tản nhiệt nhanh hơn FR4, chúng có thể được sử dụng trong nhiều hệ thống phát ra nhiệt đáng kể. Một ví dụ xuất sắc là trong các mảng đèn LED. LED SMD hoạt động ở công suất cao tạo ra một lượng nhiệt đáng kể. Nhiệt được tản ra bởi lõi nhôm nhanh chóng di chuyển nhiệt ra khỏi các LED, giúp kéo dài tuổi thọ của chúng.

Mảng đèn với LED SMD

Các PCB lõi nhôm mỏng thậm chí có thể được chế tạo như các PCB linh hoạt. Cả PCB linh hoạt tĩnh và động đều có thể được chế tạo từ PCB nhôm. Do gốm ít dẻo hơn nhôm nhiều, chúng không nên được sử dụng trong PCB nhôm linh hoạt. Do đó, các lớp phủ polymer nên được sử dụng làm lớp điện môi trong các bảng mạch này.

PCB nhôm cung cấp các lợi ích khác ngoài quản lý nhiệt. Độ cứng và sức mạnh cao hơn chống lại uốn và sốc đã được đề cập ở trên. Ngoài ra, lõi kim loại cung cấp khả năng chắn EMI tốt hơn, do đó một PCB nhôm cũng hữu ích trong môi trường điện từ ồn ào. Lõi kim loại cũng thân thiện với môi trường hơn so với FR4 hoặc các vật liệu khác, vì nhôm có thể tái chế.

Nếu bạn chọn sử dụng PCB nhôm cho thiết bị tiếp theo của mình, bạn sẽ cần các công cụ thiết kế bao gồm một thư viện rộng lớn về vật liệu lớp xếp chồng và một trình quản lý xếp chồng trực quan. Altium Designer bao gồm tất cả các tính năng này và nhiều hơn nữa, và cung cấp các công cụ thiết kế và phân tích hàng đầu trong ngành trong một chương trình duy nhất. Những tính năng thiết kế quan trọng này cũng kết nối với các công cụ thiết kế 3D gốc trong Altium Designer.

Tải xuống bản dùng thử miễn phí của Altium Designer ngay hôm nay nếu bạn quan tâm đến việc tìm hiểu thêm về các công cụ thiết kế PCB đa lớp. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.