Один алюминиевая печатная плата — это печатная плата, объединяющая медные проводники, электрически изолирующий теплопроводный диэлектрик и алюминиевое основание. Диэлектрик отводит тепло к металлу, одновременно обеспечивая электрическую изоляцию цепи. Такая конструкция подходит для светодиодного освещения и силовой электроники, когда плата, монтажная поверхность и поверхность охлаждения образуют подходящий тепловой путь.
При выборе платы необходимо проверить весь этот путь. Более высокая теплопроводность диэлектрика может помочь, однако её эффект зависит от толщины, площади теплопередачи и сопротивления в других частях сборки.
Ключевые выводы
- В стандартной плате на алюминиевом основании используется диэлектрик, который передаёт тепло и одновременно электрически изолирует медь от металлического основания.
- Сравнивайте толщину диэлектрика и тепловое сопротивление наряду с теплопроводностью. Одного показателя теплопроводности недостаточно для прогнозирования температуры компонента.
- В приведённом ниже иллюстративном примере улучшение теплоотвода снижает расчётную температуру перехода сильнее, чем двукратное увеличение теплопроводности диэлектрика.
- Перед выпуском файлов на изготовление укажите требования к электрической изоляции, конструкции отверстий и монтажной поверхности.
Что такое алюминиевая печатная плата?
Печатная плата с алюминиевым сердечником относится к более широкой категории печатных плат с металлическим сердечником, также называемых изолированными металлическими основаниями (IMS). В этой конструкции опорным металлом служит алюминий, а вытравленная медь образует электрическую схему. Написание aluminium PCB обозначает то же семейство плат.
В распространённой односторонней версии компоненты и медные проводники расположены над изолирующим диэлектриком, прикреплённым к металлическому основанию. Информация TCLAD об изолированном металлическом основании описывает это сочетание электрической схемы, диэлектрика и металлического основания.
Алюминиевая светодиодная печатная плата может соединять тепловые контактные площадки светодиодов с более крупной охлаждающей поверхностью через этот пакет слоёв. В конструкциях преобразователей мощности можно использовать тот же принцип при условии, что требования к разводке и изоляции соответствуют данной конструкции. Металлическое основание не отменяет необходимости проверять температуры компонентов, электрические зазоры и условия охлаждения.
Структура слоёв: медь, диэлектрик и алюминиевое основание
Назначение каждого слоя
Каждый слой выполняет отдельную функцию. Медь обеспечивает электрические соединения и локальное рассеивание тепла. Диэлектрик обеспечивает электрическую изоляцию и проводит тепло через свою толщину. Алюминиевое основание поддерживает плату и отводит тепло к монтажной поверхности.
| Слой | Основная функция | Вопрос при выборе |
|---|---|---|
| Медная схема | Проводит ток и локально распределяет тепло | Соответствует ли геометрия меди электрическим и тепловым требованиям? |
| Теплопроводный диэлектрик | Изолирует электрическую схему от основания и передаёт тепло | Соответствуют ли друг другу толщина, тепловое сопротивление и изоляция? |
| Алюминиевое основание | Обеспечивает механическую опору и распределение тепла | Соответствует ли основание механическому интерфейсу и требованиям к охлаждению? |
Односторонние и более сложные конструкции
Добавление второго слоя схемы или гибридная конструкция изменяет способ прохождения электрических соединений через проводящее основание или вокруг него. Изолированные соединения требуют точно заданной конструкции. Подтвердите эту конструкцию, прежде чем рассматривать многослойную алюминиевую плату как плату FR4 с металлическим основанием.
Конструкции с прямым тепловым путём — это отдельный вариант: выбранные контактные площадки компонентов могут иметь другое соединение с металлом. Они требуют проверки потенциала площадок и изоляции. Стандартные предположения для плат с диэлектрической подложкой нельзя просто перенести на такие конструкции.
Теплопроводность — лишь одна часть теплового пути
Полезный тепловой вопрос заключается в том, насколько повысится температура компонента при ожидаемой тепловой нагрузке. Теплопроводность описывает материал. Тепловое сопротивление описывает конкретную геометрию или сборку и выражается в K/W, что эквивалентно °C/W для разности температур.
Рассчитайте сопротивление диэлектрика по толщине и площади
Для стационарной одномерной теплопередачи через однородный слой соотношение для теплового сопротивления, объяснённое MIT имеет вид:
Rθ = t / (k × A)
Здесь t — толщина в метрах, k — теплопроводность в Вт/(м·K), а A — предполагаемая эффективная площадь теплопередачи в квадратных метрах. Эффективная площадь не обязательно совпадает со всей площадью платы.
Рассмотрим гипотетический диэлектрик со следующими характеристиками:
- Толщина: 100 µm = 0.0001 м.
- Теплопроводность: 1.5 Вт/(м·К).
- Эффективная площадь: 100 мм² = 0.0001 м².
Его идеальное сопротивление теплопередаче по толщине составляет 0.667 К/Вт. Удвоение теплопроводности до 3.0 Вт/(м·К) при неизменных толщине и площади даёт 0.333 К/Вт. Удвоение толщины и теплопроводности возвращает исходное значение 0.667 К/Вт.
Это учебные исходные данные, а не материалы, имеющиеся на складе, и не электрически взаимозаменяемые варианты. Значения сопротивления, указанные поставщиками, также могут быть нормированы по площади. В таблице диэлектрических материалов TCLAD’s указано значение теплопроводности HT, равное 2.2 Вт/(м·К), а также сопротивление 0.05 °C·in²/Вт при толщине 75 µm и 0.077 °C·in²/Вт при толщине 100 µm. Эти единицы не соответствуют К/Вт для готовой платы. В таблице не указаны метод измерения и подтверждение того, что приведённые значения сопротивления соответствуют расчёту идеальной пластины. Получите актуальный технический паспорт конкретной марки и сравните одинаковые условия испытаний.
Рассмотрим баланс от перехода к окружающей среде
Предположим, что один доминирующий последовательный путь отводит 5 Вт рассеиваемого тепла в воздух при температуре 40°C. Следующие сопротивления являются гипотетическими эффективными величинами, выбранными для этого примера, а не измеренными или полученными из технических паспортов значениями.
| Участок предполагаемого теплового пути | Тепловое сопротивление |
|---|---|
| От перехода до тепловой площадки компонента | 1.000 К/Вт |
| Растекание тепла в припое и локальной меди | 0.400 К/Вт |
| Диэлектрик, рассчитанный выше | 0.667 К/Вт |
| Вклад алюминиевого основания и тепловой интерфейс с радиатором | 0.300 К/Вт |
| От радиатора до окружающей среды | 4.000 К/Вт |
| Итого | 6.367 К/Вт |
Для этой упрощённой сети Tj = Ta + Pheat × Rtotal. Расчётная температура перехода составляет 40 + 5 × 6.367 ≈ 71.8°C.
Сравним два изменения конструкции
Изменяйте по одному входному параметру, оставляя остальные неизменными:
| Сценарий | Суммарное сопротивление | Расчётная температура перехода | Снижение относительно базового варианта |
|---|---|---|---|
| Исходные данные | 6.367 К/Вт | 71.8°C | Исходный вариант |
| Удвоение теплопроводности диэлектрика | 6.033 К/Вт | 70.2°C | 1.7°C |
| Снижение сопротивления от радиатора до окружающей среды с 4 до 2 К/Вт | 4.367 К/Вт | 61.8°C | 10.0°C |
Радиатор занимает основную часть этого предполагаемого бюджета, поэтому его улучшение оказывает больший эффект. Другая конструкция может дать иной результат. Значения рассчитаны с использованием неокруглённых входных данных и отображаются в округлённом виде.
Эта модель не определяет допустимую рабочую температуру. Реальное растекание тепла, параллельные тепловые пути, воздушный поток и температурно-зависимые свойства требуют анализа или измерений. Используйте тепловые потери, а не считайте автоматически весь электрический вход светодиода теплом.
Техасские инструменты’ Тепловые параметры полупроводников и корпусов микросхем (пересмотрено в марте 2024 г.) объясняет, почему тепловые параметры из таблиц данных зависят от условий испытаний и тепловых путей. Не рассматривайте θJA или произвольное значение θJC как резистор, относящийся только к корпусу, который нужно добавлять к сети платы и радиатора. В примере явно предполагается наличие участка от перехода до контактной площадки. Используйте модель, соответствующую фактической поверхности отвода тепла, не учитывая одни и те же пути дважды.
Проверьте всю конструкцию с учётом номиналов компонентов и реалистичных измерений прототипа; руководство по тепловым горячим точкам на печатной плате описывает этот этап проверки.
Алюминиевая печатная плата и FR4, варианты с медным основанием и керамические варианты
Выбирайте материал основания с учётом требований к трассировке, электрической изоляции, охлаждению и механике в совокупности. Более высокая объёмная теплопроводность материала не означает автоматически, что готовая конструкция будет холоднее.
| Вариант | Рассматривайте этот вариант, когда | Проверьте перед выбором |
|---|---|---|
| IMS с алюминиевой основой | Источники тепла могут передавать тепло по короткому диэлектрическому пути к монтажной поверхности | Диэлектрическое сопротивление, изоляция, свобода трассировки и контакт с радиатором |
| FR4 | Важны высокая плотность трассировки или традиционная многослойная конструкция | Соответствуют ли растекание тепла по меди, тепловые переходные отверстия и система охлаждения температурным ограничениям |
| Конструкция с медным основанием | Применение может выиграть от другого пути распределения тепла через металл | Дополнительная масса, конструкция, электрическая изоляция и производственная стоимость |
| Керамическая подложка | Оценка оправдана из-за специфических требований к тепловым, электрическим или эксплуатационным свойствам материала | Марка керамики, металлизация, процесс крепления и механические нагрузки |
Толстая медь означает толстые медные проводники; это не обязательно означает, что плата имеет медное основание. Аналогично, алюминиевая плата может проводить сигналы, но её структура слоёв всё равно должна соответствовать требованиям к трассировке и электрическим характеристикам. Металлическая основа не заменяет подходящую опорную структуру в конструкции, чувствительной к импедансу.
Этот руководству по выбору материалов для печатных плат сравнивает более широкий выбор материалов основания. При выборе между алюминиевой платой и FR4 начните с вопроса, могут ли оба варианта обеспечить одинаковые требования к температуре, изоляции и трассировке в пределах доступного корпуса. Сравнивайте законченные решения, а не отдельные обозначения материалов.
Проверка конструкции: изоляция, отверстия и крепление
Планируйте электрическую изоляцию и механический контакт одновременно. Токопроводящая основа, винт или открытый край могут создать соединение, не предусмотренное схемой.
Разделяйте электрические соединения и контакт с металлическим основанием
Различайте электрические металлизированные отверстия и переходные отверстия и механические крепёжные отверстия на чертеже для производства. Электрическое соединение, проходящее через металлическое основание, требует предусмотренной конструкции изоляции. Крепёжное отверстие может быть намеренно соединено с основанием шасси или требовать изолирующей фурнитуры; укажите, какой вариант применяется.
Этот услуга производства алюминиевых плат перечисляет изолированные металлизированные отверстия и монтаж компонентов в отверстия; материалы и структура слоёв подлежат инженерной проверке. Уточните, как выводы, площадки и основание остаются разделёнными там, где это требуется. Попросите изготовителя указать геометрию изоляции и метод контроля, а не предполагайте, что стандартный файл сверления для FR4 полностью описывает эту особенность.
Определите интерфейс между платой и радиатором
Определите площадь контакта, плоскостность поверхности, теплопроводящий интерфейсный материал (TIM), толщину и способ крепления. Согласуйте момент затяжки крепежа с поставщиками сборки и оборудования. Контактное давление, зазоры и интерфейсный материал влияют на фактический тепловой путь.
Попросите проверяющего конструкцию подтвердить, как необходимая изоляция сохраняется в местах винтов, шайб, пазов и краёв платы. Если изделию требуется защитный изоляционный барьер, задокументируйте применимые требования и согласуйте систему изоляции и подтверждающие документы.
Подтвердите электрические и производственные ограничения
Укажите рабочее напряжение, требуемую функцию изоляции, пути утечки, воздушные зазоры и приёмочные испытания. Запросите утверждённую спецификацию рабочего напряжения, а также результаты испытаний на пробой или электрическую прочность; не делайте вывод о рабочей спецификации по числу, указанному для испытания. Согласуйте правильные ограничения для конкретного применения, конструкции и применимых требований к изделию.
руководство TCLAD по производству рассматривает зазор между цепью и отверстием и испытания HiPot как отдельные вопросы. Его численные рекомендации по производству относятся к конкретному поставщику. Получите у выбранного изготовителя утверждённые геометрические параметры и критерии испытаний для фактической конструкции.
Зафиксируйте требования к контуру, отверстиям и расстоянию от меди до края для проверки поставщиком. Используйте Контрольный список по DFM для печатных плат для общего комплекта документации на выпуск, затем добавьте приведённые выше сведения о металлическом основании. Избегайте универсальных правил для зазоров или испытательных напряжений, не связанных с предполагаемым изделием.
Факторы производства, сборки и стоимости
Производство непаянной платы и сборка платы с установленными компонентами требуют отдельных технологических решений. При производстве определяются конструкция ламината, рисунок меди, отверстия, контур, маска и финишное покрытие. Сборка добавляет пайку, компоненты, термопрофилирование и контроль.
Проверьте профиль оплавления для фактического набора платы и компонентов. Руководство Analog Devices по сборке корпусов uSLIC рекомендует использовать термопары в фактических паяных соединениях и объясняет, что температуры соединений отличаются от настроек печи. Это руководство относится к конкретному типу корпуса, а не является рецептом для алюминиевой платы. Применяйте этот принцип измерений, соблюдая технологические ограничения выбранных компонентов и паяльной пасты.
Стоимость зависит от марки и толщины диэлектрика, меди, контура, изолированных отверстий, использования панелей, объёма партии, финишного покрытия, контроля и состава сборочных работ. Опубликованные минимальные и максимальные значения не означают, что доступна любая комбинация параметров.
Проверить Возможности для светодиодов и алюминиевых печатных плат в качестве отправной точки, затем запросить подтверждение выбранной алюминиевой конструкции. На этой объединённой странице возможностей также рассматриваются изделия из FR4; её полный ассортимент не следует воспринимать как единую спецификацию алюминиевого стека.
Преобразуйте тепловой расчёт в пакет данных для передачи в производство
Перенесите допущения, использованные в тепловом расчёте, в запись о выпуске. Эффективная площадь, параметр корпуса и сопротивление интерфейса из рассмотренного примера всё ещё требуют подтверждения, прежде чем их можно будет использовать для описания реального изделия.
| Тип записи | Включить в пакет передачи | Статус в этом примере |
|---|---|---|
| Эксплуатационные требования | Рассеиваемая мощность, диапазон температуры окружающей среды, допустимая температура перехода и режимы работы | Предполагаются 5 Вт и 40°C; допустимая температура не установлена |
| Запрос материалов | Фактическая марка диэлектрика, толщина/допуск, метод теплового испытания, конструкция меди и основания | Только общие исходные данные по диэлектрику |
| Расчётная оценка | Расчёт, предполагаемая площадь, границы тепловой сети и ограничения | 0.667 K/W для диэлектрика; базовая температура 71.8°C |
| Механический интерфейс | Чертёж радиатора/контактной поверхности, TIM, способ крепления и согласованный момент затяжки | Параметры интерфейса и радиатора предполагаются |
| Электрическая приёмка | Рабочее напряжение, требования к изоляции и согласованный метод/критерии испытаний | Требует определения с учётом конкретного применения |
| Производственный пакет | Файлы схемы, сверловка, производственный чертёж, габаритный контур, сведения об отверстиях, количество и покрытие | Должно быть предоставлено для фактической конструкции |
Предоставьте данные Gerber или одобренные данные ODB++ с соответствующей информацией о сверловке и производстве. Для сборки также нужны спецификация BOM и данные о размещении. Идентификаторы ревизий должны быть согласованы во всех файлах.
До выпуска согласуйте, какие тепловые исходные данные поступают от поставщика, из моделирования или из измерений прототипа. Убедитесь, что электрическая изоляция, ограничения механической обработки и выбранные материалы совместимы в одной конструкции. Температура, рассчитанная на основе предполагаемых сопротивлений, не является утверждением производственного стека.
Frequently Asked Questions
Нужен ли алюминиевой печатной плате радиатор?
Ей может потребоваться отдельный радиатор, соединение с корпусом или другая охлаждающая поверхность. Алюминиевое основание распределяет тепло, но вся сборка всё равно должна передавать его в окружающую среду. Определите требования к охлаждению по рассеиваемой мощности, условиям окружающей среды и допустимой температуре компонента, затем проверьте сборку в условиях, близких к реальной эксплуатации.
Можно ли использовать компоненты с выводами в отверстиях на плате с алюминиевым основанием?
Да, если её конструкция поддерживает необходимые отверстия и электрическую изоляцию. Проводящее основание делает конструкцию отверстий особенно важной. Укажите, какие металлизированные отверстия и контактные площадки являются электрическими соединениями, подключено ли основание к корпусу и где требуется изоляция. До выпуска подтвердите эти детали с изготовителем.
Всегда ли диэлектрик с теплопроводностью 3 W/m·K лучше варианта с 1.5 W/m·K?
Нет. При одинаковых толщине и площади более высокая теплопроводность снижает идеальное сопротивление теплопередаче через толщину. Более толстый диэлектрик может свести это преимущество на нет, а доминировать в тепловом пути может другой участок. Сравнивайте требуемую электрическую изоляцию, фактические тепловые данные и условия сборки вместе, а не выбирайте материал только по теплопроводности.
Электрически ли изолировано алюминиевое основание от схемы?
В стандартной конструкции с диэлектрической подложкой диэлектрик предназначен для отделения медной схемы от основания. Изоляция всё равно зависит от выбранного материала, геометрии, отверстий и сборки. Варианты с прямым тепловым путём могут отличаться, поэтому определите предполагаемые электрические соединения и подтвердите требуемые испытания для фактической конструкции.
Подготовьте алюминиевую печатную плату к проверке
Отправьте файлы схемы, производственный чертёж, тепловую нагрузку, условия эксплуатации и требования к монтажу вместе с вашим запросом на производство алюминиевой печатной платы. В ходе проверки необходимо подтвердить совместимость конструкции и определить, какие тепловые допущения ещё требуют проверки до начала производства.
