Con il rapido sviluppo dell’industria elettronica, le dimensioni dei prodotti elettronici stanno diventando sempre più ridotte, mentre la densità di potenza è in costante aumento. Risolvere il problema della dissipazione del calore rappresenta una grande sfida per la progettazione nel settore elettronico, e i circuiti stampati in alluminio sono senza dubbio un’ottima soluzione a tale problema. Rispetto ai tradizionali circuiti stampati in FR4, i PCB in alluminio consentono di ridurre al minimo la resistenza termica. I PCB in alluminio presentano eccellenti prestazioni di trasferimento termico rispetto ai circuiti stampati in ceramica e vantano proprietà meccaniche eccellenti.
I comuni circuiti stampati in FR-4 presentano una scarsa dissipazione del calore, mentre quelli in ceramica sono relativamente stabili e resistenti alla deformazione in ambienti con temperature e umidità elevate, ma hanno un costo elevato e vengono comunemente utilizzati nei prodotti di fascia alta. Se il vostro prodotto non è di fascia alta, come ad esempio una scheda LED ad alta potenza di grandi dimensioni, ma richiede comunque ottime prestazioni di dissipazione del calore, allora il materiale più economico che garantisce prestazioni elevate a basso costo è il PCB in alluminio.
Che cos’è un PCB in alluminio?
Il substrato in alluminio è un tipo di PCB con base metallica in rame dotato di buone proprietà di dissipazione del calore. In genere, un PCB in alluminio a singolo lato è composto da tre strati: lo strato circuitale (strato di rame), lo strato di isolamento termico e lo strato di base metallica. Nei prodotti di fascia alta, solitamente progettati come PCB in alluminio a doppia faccia, la struttura è costituita da strato circuitale, strato isolante, base in alluminio, strato isolante e strato circuitale. Le applicazioni che prevedono l’uso di schede multistrato sono molto rare, poiché il costo di produzione è piuttosto elevato.
Le strutture dei circuiti stampati in alluminio
1. Strato dei circuiti
Lo strato circuitale (lamina di rame elettrolitico) del PCB in alluminio viene inciso per formare un circuito stampato destinato all'assemblaggio e al collegamento del dispositivo. Rispetto al tradizionale FR-4, il substrato in alluminio è in grado di trasportare una corrente maggiore a parità di spessore e larghezza delle piste.
2. Strato di isolamento termico
Lo strato isolante termico rappresenta la tecnologia fondamentale dei PCB in alluminio, svolgendo principalmente le funzioni di incollaggio, isolamento e conduzione termica. Lo strato isolante dei PCB in alluminio costituisce la principale barriera alla conducibilità termica nella struttura dei moduli di potenza. Migliori sono le prestazioni di conduzione termica dello strato isolante, maggiore è la diffusione del calore generato durante il funzionamento del dispositivo e più facile risulta ridurre la temperatura di esercizio dello stesso, con l’obiettivo di migliorare la capacità di carico del modulo, ridurne il volume, prolungarne la durata, migliorare la potenza in uscita e altri vantaggi.
3. Strato di base in metallo
Lo strato di base metallico è costituito da un substrato in lega di alluminio. Quale tipo di metallo viene utilizzato come substrato metallico isolante? Ciò dipende da una combinazione di fattori quali il coefficiente di dilatazione termica, la conducibilità termica, la resistenza, la durezza, il peso, le condizioni superficiali e il costo del substrato metallico.
Le prestazioni dei circuiti stampati in alluminio
1. Dissipazione termica
Attualmente, molti PCB in alluminio a doppia faccia e multistrato presentano un’elevata densità, un’elevata potenza e difficoltà nella dissipazione del calore. I circuiti stampati convenzionali in FR4 e CEM3 sono scarsi conduttori di calore; essendo isolati tra uno strato e l’altro, non consentono la dissipazione del calore, causando guasti dovuti alle alte temperature nei componenti elettronici, mentre i circuiti stampati in alluminio possono risolvere il problema della dissipazione del calore.
2. Espansione termica
L'espansione termica e la contrazione a freddo sono caratteristiche intrinseche delle sostanze, e il coefficiente di espansione termica varia a seconda della sostanza. I circuiti stampati a base di alluminio sono in grado di risolvere efficacemente il problema della dissipazione del calore, alleviando così il problema dell’espansione termica e della contrazione a freddo dei componenti presenti sul circuito stampato e migliorando la durata e l’affidabilità dell’intera macchina e delle apparecchiature elettroniche, in particolare per risolvere il problema dell’espansione termica e della contrazione a freddo nella tecnologia SMT (montaggio superficiale).
3. Stabilità dimensionale
Le dimensioni dei circuiti stampati con base in alluminio sono ovviamente molto più stabili rispetto a quelle dei circuiti stampati isolati. I circuiti stampati con base in alluminio vengono riscaldati da 30 ℃ a 140~150 ℃, con una variazione dimensionale compresa tra il 2,5% e il 3,0%.
4. Altre prestazioni
I circuiti stampati in alluminio presentano altre caratteristiche positive, quali l’effetto schermante; sostituiscono il substrato ceramico e i componenti del dissipatore di calore; migliorano la resistenza termica e le proprietà fisiche del prodotto; riducono i costi di produzione e la manodopera.
I vantaggi dei circuiti stampati in alluminio
1) La dissipazione del calore è notevolmente migliore rispetto a quella dei circuiti stampati FR-4 standard.
2) Conforme ai requisiti RoHS, più adatto al processo SMT
3) Ridurre i costi di assemblaggio del radiatore e di altri componenti hardware, ridurre il volume del prodotto; combinazione ottimale tra circuito di potenza e circuito di controllo
4) La conduzione termica è più efficiente rispetto ai tradizionali circuiti stampati rigidi
5) La conduttività termica è da 5 a 10 volte superiore rispetto a quella dei circuiti stampati in FR4
6) È possibile utilizzare una quantità di rame inferiore a quella raccomandata dall'IPC
Le applicazioni dei circuiti stampati in alluminio
I circuiti stampati in alluminio trovano ampio impiego nelle apparecchiature audio generiche, nelle apparecchiature di alimentazione, nelle apparecchiature elettroniche per le comunicazioni, nelle apparecchiature per l'automazione d'ufficio, nel settore automobilistico, nei computer, nei moduli di potenza, nell'illuminazione e nelle apparecchiature mediche, ecc.
1.Dispositivi audio: amplificatori di ingresso e di uscita, amplificatori bilanciati, amplificatori audio, preamplificatori, amplificatori di potenza, ecc.
2.Dispositivi di alimentazione: regolatori a commutazione, convertitori CC/CA, regolatori a commutazione, ecc.
3.Dispositivi di telecomunicazione: amplificatori ad alta frequenza, dispositivi di filtraggio e circuiti di trasmissione.
4.Dispositivi per il settore automobilistico: regolatori elettronici, sistemi di controllo dell'illuminazione e dell'alimentazione, ecc.
5.Dispositivi informatici: Schede CPU, unità floppy e dispositivi di alimentazione
6.Dispositivi per l'automazione d'ufficio: motori elettrici e azionamenti
7.Dispositivi per moduli di potenza: convertitori, relè a stato solido, raddrizzatori di potenza e ponti
8.Dispositivi di illuminazione: Illuminazione stradale, segnaletica semaforica, illuminazione interna degli edifici, illuminazione paesaggistica e attrezzatura da campeggio. Con la diffusione delle lampade a risparmio energetico, tutti i tipi di lampade LED a risparmio energetico sono stati accolti con favore dal mercato; di conseguenza, i circuiti stampati in alluminio per lampade LED hanno trovato ampio impiego.
9.Dispositivi medici: Illuminazione per sale operatorie, strumenti di illuminazione chirurgica, tecnologia di scansione ad alta potenza e convertitori di potenza.
10.Display a LED: display a LED; display con sorgente luminosa a LED
Tre differenze principali tra i circuiti stampati in FR4 e quelli in alluminio
1、Price
FR4 PCB board will be much cheaper than aluminum PCB.
2、Technology
FR4 PCB can be divided into double-sided copper foil FR4 board, perforated copper foil FR4 board and single-sided copper foil FR4 board according to different materials and production techniques. Of course, FR4 PCB made of different materials will be different in price.
3、Performance
Because of the good thermal conductivity of aluminum PCB, so the heat dissipation performance of aluminum PCB is much better than that FR4 PCB.