I PCB in alluminio sono tra i PCB con nucleo metallico più diffusi e trovano impiego in applicazioni versatili. Hanno una base metallica e laminati rivestiti in rame che offrono un'eccellente conduttività termica e isolamento elettrico. In questo articolo, analizzeremo in dettaglio questo tipo di PCB così importante, analizzandone la struttura, il processo di produzione e le applicazioni. Continuate a leggere per saperne di più.
Cos'è un PCB in alluminio?
Un PCB in alluminio, noto anche come PCB con base in alluminio, PCB rivestito in alluminio o PCB IMS (Insulated Metal Substrate), è un tipo di circuito stampato che utilizza uno strato di base in alluminio al posto del tradizionale materiale in fibra di vetro FR4. Di solito presenta un substrato di alluminio spesso, sopra il quale è presente uno strato dielettrico termicamente conduttivo ma elettricamente isolante, su cui è disposto uno strato di rame utilizzato per le tracce del circuito. La struttura unica dei circuiti stampati in alluminio consente loro di essere molto efficaci nella dissipazione del calore e, pertanto, sono perfetti per applicazioni ad alta potenza e altri tipi di schede che generano molto calore, come sistemi di illuminazione a LED, alimentatori ed elettronica per autoveicoli.
Struttura del PC in alluminioBs
I PCB in alluminio sono in realtà abbastanza simili a PCB FR4La struttura di base dei PCB in alluminio è a quattro strati. È composta da uno strato dielettrico, un foglio di rame, uno strato di base in alluminio e una membrana di base in alluminio.
• Strato di lamina di rame
Lo strato di rame utilizzato è relativamente più spesso rispetto ai normali CCL (da 1 a 10 g). Uno strato di rame più spesso si traduce in una maggiore capacità di trasporto di corrente.
• Strato dielettrico
Lo strato dielettrico è uno strato termicamente conduttivo e ha uno spessore compreso tra 50 e 200 micrometri. Ha una bassa resistenza termica ed è adatto alla sua applicazione.
• Base in alluminio
Questo terzo strato è la base in alluminio, costituita da un substrato di alluminio. Ha un'elevata conduttività termica.
• Strato di membrana di base in alluminio
La membrana di base in alluminio è selettiva. Svolge una funzione protettiva proteggendo l'esterno in alluminio da incisioni e abrasioni indesiderate. È disponibile in due tipologie: intorno ai 250 gradi o inferiore ai 120 gradi (anti-alte temperature).
Processo di produzione di PCB in alluminio: una guida passo passo
Passaggio 1: progettazione e ingegneria
Il software CAD viene utilizzato dagli ingegneri per creare layout PCB che vengono poi trasformati in File Gerber che contengono le specifiche complete del circuito.
Fase 2: Selezione del materiale di base
Scegliere leghe di alluminio appropriate come 5052, 6061 o 7075 e pulire molto bene la superficie del PCB per eliminare sporco e olio, in modo da aumentare la tenuta.
Fase 3: Applicazione dello strato dielettrico
Successivamente ricopriamo la superficie di alluminio con uno strato di circa 50 – 200 micrometri di spessore, lo strato è termicamente conduttivo, ma elettricamente isolante.
Fase 4: Laminazione della lamina di rame
Un foglio di rame di alta qualità viene incollato allo strato dielettrico a 150-180°C e sotto pressione controllata.
Fase 5: Imaging e incisione
Lo strato di rame subisce fotoresistenza rivestimento, esposizione ai raggi UV e incisione chimica per creare lo schema del circuito.
Fase 6: Protezione della superficie
I circuiti vengono poi protetti con una maschera di saldatura protettiva e i componenti vengono marcati con una serigrafia.
Fase 7: Lavorazione meccanica
Il pannello in alluminio viene sottoposto a foratura di precisione, placcatura dei fori e separazione del pannello in singole unità.
Passaggio 8: test di qualità
Tutte le schede vengono sottoposte a test tramite sistemi di ispezione automatici per verificarne la continuità elettrica, la resistenza termica e la precisione dimensionale.
Difficoltà di fabbricazione dei PCB in alluminio
Il processo di produzione di quasi tutti i PCB in alluminio è sostanzialmente lo stesso. Qui discuteremo i principali processi produttivi, i problemi e le relative soluzioni.
1: Incisione su rame
Il foglio di rame utilizzato nei PCB in alluminio è moderatamente più spesso. Tuttavia, se il foglio di rame supera i 3 g, l'incisione richiede un aggiustamento della larghezza. Se non è conforme ai requisiti di progettazione, la larghezza della traccia risulterà fuori tolleranza dopo l'incisione. Per questo motivo, la compensazione della larghezza della traccia deve essere progettata con precisione. I fattori di incisione devono essere controllati durante il processo di produzione.
2: Stampa della maschera di saldatura
A causa dello spesso foglio di rame, la stampa della maschera di saldatura sui PCB in alluminio risulta difficoltosa. Questo perché, se la traccia di rame è troppo spessa, l'immagine incisa presenterà una notevole differenza tra la superficie della scheda base e quella della traccia, rendendo la stampa della maschera di saldatura piuttosto difficoltosa. Pertanto, si preferisce utilizzare la stampa della maschera di saldatura in due fasi. L'olio per la maschera di saldatura utilizzato deve essere di buona qualità e, in alcuni casi, si procede prima con il riempimento in resina e poi con la maschera di saldatura.
3: Produzione meccanica:
Il processo di produzione meccanica prevede stampaggio, foratura meccanica, incisione a V, ecc., che viene lasciata sul foro interno. Questo tende a ridurre la resistenza elettrica. Pertanto, per la produzione di piccoli volumi di prodotti, si consiglia l'utilizzo di frese professionali e frese elettriche. I parametri di foratura devono essere regolati per evitare la formazione di bave. Questo faciliterà la produzione meccanica.
Vantaggi dei circuiti stampati in alluminio
I PCB con nucleo metallico presentano una serie di vantaggi unici rispetto ad altri materiali di base.
- Cordiale per l'ambiente
L'alluminio è un metallo riciclabile e atossico. Dal produttore all'acquirente finale, l'utilizzo dell'alluminio nei PCB contribuisce alla salute del pianeta.
- Migliore trasferimento di calore
Le alte temperature sono la causa di gravi danni ai componenti elettronici. L'alluminio conduce e trasferisce il calore lontano dalle parti pericolose, riducendo al minimo i danni al circuito stampato.
- Molto resistente
L'alluminio è più resistente e durevole di materiali di base come fibra di vetro e ceramica. È molto ben fatto e riduce le rotture accidentali che possono verificarsi durante il processo di produzione, la manipolazione e l'uso quotidiano.
- Leggero
L'alluminio è un materiale molto leggero. Aggiunge durevolezza e resistenza ai PCB senza appesantirli ulteriormente.
Prestazioni dei PCB in alluminio
stabilità dimensionale
I PCB in alluminio mostrano stabilità dimensionale e dimensioni costanti. Ad esempio, riscaldandoli da 30 a 140 gradi, le loro dimensioni hanno subito una variazione solo del 2.5-3.0%.
Dissipazione termica
Le prestazioni di dissipazione termica dei PCB in alluminio sono piuttosto buone rispetto ai normali PCB in FR4. Ad esempio, un PCB in FR4 di 1.5 mm di spessore avrà una resistenza termica di 20-22 gradi per watt, mentre un PCB in alluminio di 1.5 mm di spessore avrà una resistenza termica di circa 1-2 gradi per watt.
Dilatazione termica
Ogni sostanza ha un proprio coefficiente di dilatazione termica. Il CTE del rame (18 ppm/C) e dell'alluminio (22 ppm/C) è piuttosto simile. Poiché i PCB in alluminio eccellono nella dissipazione termica, non presentano problemi significativi di contrazione o espansione. Sono estremamente durevoli, affidabili e dalle prestazioni eccezionali.
Applicazioni PCB in alluminio
Ecco un elenco delle applicazioni più comuni dei PCB con nucleo in alluminio:
• Medico: Illuminazione per sale operatorie, Strumenti di illuminazione chirurgica, Tecnologia di scansione ad alta potenza. e convertitori di potenza.
• Consumatore: Illuminazione stradale, illuminazione per il controllo del traffico, illuminazione interna degli edifici, illuminazione paesaggistica e attrezzatura da campeggio.
• Moduli di potenza: Inclusi relè allo stato solido, convertitori, ponti e raddrizzatori di potenza.
• Telecomunicazioni: Inclusi amplificatori ad alta frequenza e apparecchi di filtraggio.
• Alimentazione elettrica: Come i regolatori di commutazione e i convertitori CC/CA.
• Automotive: Inclusi i regolatori di potenza. illuminazione e regolatori elettronici.
• Computer: Come schede CPU, unità floppy e dispositivi di alimentazione.
• Dispositivi audio: come amplificatori di ingresso e di uscita e amplificatori di potenza + automazione d'ufficio, come motori elettrici e azionamenti.
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