ПЕЧАТНАЯ PCB - Практическое руководство по металлическим субстратам в электронике

По мере того как электронные устройства становятся меньшими, быстрыми и более мощными, тепловое управление и конструктивная надежность стали двумя наиболее важными факторами для высокопроизводительных конструкций. Именно здесь металлические подложки, также известные как металлические ядра или металлические подложки, предлагают явное преимущество по сравнению с традиционными материалами ПХД, такими как стандартный FR4.

Что такое металлический субстрат?

В контексте печатных плат (ПХД) металлическая подложка относится к структуре, которая использует металл (обычно алюминий, медь или сталь) в качестве основного материала вместо чистой диэлектрической или смольной системы. Металлическое ядро действует как механический спинок, так и теплоотводник, значительно улучшая теплопроводность и структурную целостность.

Наиболее распространенной формой является печатная плата с металлическим ядром (MCPCB), которая обычно состоит из трех основных слоев:

Слой схемы медной фольги: верхний слой, где выгравированы схемы.

Диэлектрический изоляционный слой: теплопроводящий, но электрически изолирующий слой, который изолирует схему от металлической основы.

Металлический базовый слой: обычно алюминий или медь, которая действует в качестве пути рассеивания тепла.

Зачем использовать металлические субстраты?

1. Высокая теплопроводность

Одной из самых больших болезненных точек в мощной электронике, высокомощных светодиодах и автомобильных приложениях является накопление тепла. Чрезмерное тепло снижает производительность, сокращает срок службы и может привести к сбоям. Металлические подложки, особенно на основе алюминия, обычно предлагают теплопроводность в диапазоне от 1,0 до 4,0 Вт/мК — значительно выше, чем стандартный FR4, который составляет около 0,3 Вт/мК.

Например, в светодиодных модулях высокой яркости хорошо разработанная алюминиевая MCPCB может снизить температуру соединения до 20-30 ° C по сравнению с FR4. Это непосредственно приводит к более длительному сроку службы светодиода и более высокому обслуживанию светового света.

2. Повышенная механическая прочность

Использование металлической основы дает ПХД улучшенную размерную стабильность и лучшее сопротивление вибрации. Это имеет решающее значение в таких приложениях, как автомобильное освещение или промышленное оборудование на открытом воздухе, где доски подвергаются постоянному тепловому циклу и механическим ударам.

3. Улучшенное рассеивание тепла с прямой установкой

Во многих конструкциях MCPCB компоненты могут быть установлены таким образом, чтобы они имели прямой тепловой путь к металлической основе. Это минимизирует тепловое сопротивление и часто устраняет необходимость в громоздких отопителях, снижая как затраты на сборку, так и вес системы.

Общие металлические субстратные материалы и когда их использовать

Алюминий:

Наиболее широко используется из-за его отличного баланса затрат, теплопроводности (около 1,0-2,0 Вт / мК для диэлектрика) и легких свойств. Общее в светодиодном освещении, автомобильных фарах и источниках питания.

Медь:

Предлагает еще более высокую теплопроводность и лучшую механическую производительность, но имеет более высокую стоимость и вес. Используется в чрезвычайно высокомощных приложениях, таких как модули питания или RF-усилители, где тепловой поток исключительно высокий.

Сталь:

Менее распространенный, в основном используется для конструктивной жесткости, когда вес меньше проблемы. Его тепловые характеристики ниже, чем алюминий или медь.

Приложения реального мира

1.светодиодные модули освещения

Это, возможно, самое крупное коммерческое применение для металлических субстратов. Высокомощные светодиоды требуют эффективной теплопередачи для поддержания световых мощностей и срока службы. MCPCB с алюминиевыми основаниями являются стандартными в downlights, уличных лампах и автомобильных светодиодных фарах.

2. Силовая электроника

Преобразователи DC-DC, инверторы и блоки питания пользуются металлическими подложками из-за лучшего теплового рассеивания при высоких токах.

3. Автомобильная и аэрокосмическая электроника

Сопротивление вибрации, прочность конструкции и управление теплом делают металлические подложки привлекательными для блоков управления, установленных вблизи двигателей или других зон высокой температуры.

Дизайн: это не просто Plug-and-Play

Хотя преимущества очевидны, инженеры должны тщательно проектировать стек-ап:

Толщина диэлектрического слоя: более тонкие слои улучшают теплопередачу, но могут увеличить риск проблем с поломным напряжением.

Термическая интеграция через: в некоторых конструкциях добавление тепловых путей может еще больше улучшить теплопроводство к металлической основе.

Обработка поверхности: ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) и HASL (Hot Air Solder Leveling) должны быть выбраны на основе типа компонента и метода монтажа.

Другим ключевым фактором является обеспечение хорошей изоляции между слоем цепи и металлической основой для предотвращения короткого замыкания, особенно в условиях высокого напряжения или высокой частоты.

Тенденции и инновации

Производители материалов постоянно улучшают теплопроводность диэлектрического слоя. Некоторые передовые MCPCB теперь достигают более 8-10 Вт/мК, расширяя их использование в приложениях следующего поколения, таких как управление батареями электромобилей и модули радиочастотной связи 5G.

Кроме того, гибридные решения, сочетающие металлические ядра с керамическими или высокочастотными ламинатами, становятся все более распространенными для одновременного удовлетворения требующих целостности сигнала и тепловых требований.

Заключительные мысли

Металлические подложки вышли далеко за рамки нишевого использования и теперь являются критическим фактором для современных высокомощных, высоконадежных электронных систем. Используя их превосходные тепловые характеристики и механическую прочность, дизайнеры могут разблокировать лучшую производительность, более высокую плотность мощности и более длительный срок службы своих продуктов.

Для производителей ПХД и OEM понимание того, как оптимизировать конструкцию металлической подложки - от выбора материалов до накладки и обработки - является ключом к сохранению конкурентоспособности, поскольку устройства продолжают сокращаться и растут потребности в энергии.

Нужна помощь в выборе подходящей металлической подложки для вашего следующего дизайна?

Наша инженерная команда имеет большой опыт работы с алюминиевыми, медными и гибридными платами на основе металла для широкого спектра отраслей промышленности. Свяжитесь с нами в любое время — мы рады поделиться мнениями и поддержать ваш следующий проект!