PCB های پایه آلومینیوم در مقابل FR4 PCB های هسته فلزی: یک راهنمای جامع

در دنیای الکترونیک با قدرت بالا، مدیریت حرارتی یک امر مهم است. به عنوان دستگاه هایی مانند رانندگان LED، منابع برق و کنترل کننده های موتور، قدرت بیشتری را در فضاهای کوچکتر جمع می کنند.انتخاب بستر PCB به طور مستقیم بر عملکرد تأثیر می گذارددو گزینه محبوب برای کاربردهای گرما فشرده PCB های پایه آلومینیوم و PCB های هسته فلزی FR4 هستند، اما آنها بسیار قابل تعویض نیستند.این راهنما تفاوت های آنها را تجزیه می کند، مزایا، کاربردهای ایده آل و نحوه انتخاب مناسب برای پروژه شما.

نکات کلیدی
1PCB های پایه آلومینیومی حرارت را 5 × 8 برابر سریعتر از FR4 استاندارد از بین می برند، که آنها را برای ال ای دی های قدرتمند و دستگاه های 100W + ایده آل می کند.
2PCB های فلزی هسته FR4 تعادل عملکرد حرارتی و هزینه را ارائه می دهند، با از بین رفتن حرارت 2 ٪ 3 برابر بهتر از FR4 استاندارد.
3PCB های پایه آلومینیومی در دمای شدید (-50 درجه سانتیگراد تا 150 درجه سانتیگراد) عالی هستند ، در حالی که PCB های هسته فلزی FR4 به حداکثر 130 درجه سانتیگراد محدود هستند.
4از نظر هزینه ، PCB های مبتنی بر آلومینیوم 1.5 × 2 برابر گران تر از گزینه های هسته فلزی FR4 هستند اما در محیط های با درجه حرارت بالا قابلیت اطمینان بلند مدت را ارائه می دهند.

PCB های آلومینیومی چیست؟
PCB های پایه آلومینیومی (همچنین به عنوان PCB های هسته آلومینیومی نیز شناخته می شوند) دارای یک لایه نازک از مواد دی الکتریک رسانای حرارتی هستند که به یک بستر آلومینیومی ضخیم (معمولاً 0.8 ∼ 3.0 میلی متر ضخامت) متصل می شوند.:
a. هسته آلومینیومی: 90٪ تا 95٪ از ضخامت تخته، به عنوان یک بخارگر عمل می کند.
b.سطح دی الکتریک حرارتی: ضخامت 50 ‰ 200μm (اغلب ایپوکسی سرامیکی پر شده) با رسانایی حرارتی بالا (1 ‰ 5 W / m · K).
c. لایه مدار مس: 1 ′′3oz (35 ′′105μm) برای حمل جریان و مسیر دهی سیگنال.
این طراحی یک مسیر حرارتی ایجاد می کند که گرما را از اجزای مستقیم به هسته آلومینیوم جذب می کند، که سپس آن را به محیط اطراف منتشر می کند.

چگونه PCB های آلومینیومی کار می کنند
a. انتقال گرما: هنگامی که یک قطعه (به عنوان مثال یک تراشه LED) گرما تولید می کند، از طریق لایه مس به دی الکتریک حرارتی و سپس به هسته آلومینیومی جریان می یابد.
ب. تبعید گرما: هسته آلومینیوم گرما را در سطح خود پخش می کند و از منطقه بزرگ خود برای خنک کردن منفعل استفاده می کند (یا برای خنک کردن فعال با بخاری های گرما).
ج.عزل الکتریکی: لایه دی الکتریک باعث جلوگیری از هدایت الکتریکی بین مدار مس و هسته آلومینیومی می شود و ایمنی و عملکرد را تضمین می کند.

PCB های هسته فلزی FR4 چیست؟
PCB های هسته فلزی FR4 (MCPCB) آشنایی FR4 را با یک هسته فلزی برای بهبود عملکرد حرارتی ترکیب می کنند. ساختار آنها با PCB های پایه آلومینیومی متفاوت است:
a. هسته فلزی: به طور معمول آلومینیوم یا مس، ضخامت 0.3-1.5 میلی متر (پست تر از PCB های آلومینیومی).
b.FR4 لایه: 1 ′′2 لایه از استاندارد FR4 (گلاس تقویت شده اپوکسی) به هسته فلزی متصل شده است، که قدرت مکانیکی را فراهم می کند.
c. لایه مدار مس: 1 ′′2 اونس (35 ′′70μm) ، مشابه PCB های استاندارد اما برای جریان گرما بهینه شده است.
رسانایی حرارتی در اینجا از هسته فلزی حاصل می شود، اما لایه های FR4 به عنوان یک مانع جزئی عمل می کنند که انتقال گرما را در مقایسه با PCB های پایه آلومینیوم کند می کند.

چگونه FR4 PCB های فلزی کار می کنند
a. انتقال گرما: گرما از قطعات از طریق لایه های مس و FR4 به هسته فلزی منتقل می شود که آن را در سراسر صفحه پخش می کند.
b.طراحی سازش: لایه های FR4 سفتی ساختاری را اضافه می کنند اما کارایی حرارتی را کاهش می دهند که آنها را به یک زمین میانگین بین FR4 استاندارد و PCB های پایه آلومینیوم تبدیل می کند.
c.کارایی هزینه: با استفاده از FR4 (یک ماده ارزان قیمت) ، این PCB ها از هزینه های طراحی پایه آلومینیوم خالص جلوگیری می کنند در حالی که هنوز از FR4 استاندارد برتر هستند.

پایه آلومینیوم در مقابل FR4 PCB هسته فلزی: تفاوت های اصلی
جدول زیر تفاوت های عملکرد و طراحی آنها را برجسته می کند:

عملکرد حرارتی: چرا اهمیت دارد؟
در برنامه های کاربردی با قدرت بالا، حتی افزایش دمای 10 درجه سانتیگراد می تواند طول عمر قطعات را تا 50٪ کاهش دهد (بر اساس معادله آرنیوس).

PCB های آلومینیومی: مدیریت گرما برتر
a. رسانایی حرارتی: لایه دی الکتریک سرامیکی پر شده (1 ¥5 W/m·K) از FR4 (0.2 ¥0.3 W/m·K) 5 ¥25 برابر بهتر است.
اثر دنیای واقعی: یک راننده LED 100W بر روی یک PCB پایه آلومینیومی 25-30 °C سردتر از همان طراحی بر روی هسته فلزی FR4 کار می کند.
c. کاربرد: ایده آل برای دستگاه هایی با ضایع قدرت > 50W، مانند:
روشنایی LED بالا (100 ′′ 300W)
چراغ های جلو LED خودرو (50-150W)
کنترل کننده های موتور صنعتی (۲۰۰ ولت و ۵۰۰ وات)

PCB های هسته فلزی FR4: عملکرد متعادل
a. رسانایی حرارتی: هسته فلزی جریان گرما را بهبود می بخشد، اما لایه های FR4 آن را به 0.8 ٪ 2 W / m · K محدود می کنند.
تاثیر در دنیای واقعی: یک منبع برق 30W بر روی یک PCB هسته فلزی FR4 15 ∼20 °C خنک تر از FR4 استاندارد اما 10 ∼15 °C گرم تر از یک PCB پایه آلومینیومی است.
ج. کاربرد: مناسب برای دستگاه های قدرت متوسط (1050W) ، از جمله:
کنترل کننده های نوار ال ای دی (LED strip controllers) (10 ′′30W)
کنورترهای کوچک DC-DC (15 ′′40W)
لوازم الکترونیکی مصرفی (به عنوان مثال شارژر لپ تاپ)

مزایای PCB های آلومینیومی
PCB های آلومینیومی در سناریوهای که در آن گرما نگرانی اصلی است، برجسته هستند:
1مقاومت در برابر دما
مقاومت در برابر کار مستمر در 150 درجه سانتیگراد (در مقابل 130 درجه سانتیگراد برای هسته فلزی FR4) ، که آنها را برای:
الکترونيک هاي اتومبيل زير هود
اجاق های صنعتی و سنسورهای دمای بالا

2. از بین بردن گرما
مسیر مستقیم حرارتی از اجزای اصلی به هسته آلومینیومی نقاط گرم را به حداقل می رساند و نرخ شکست اجزای را در برنامه های کاربردی با قدرت بالا 40٪ تا 60٪ کاهش می دهد.

3دوام و قابلیت اطمینان
هسته آلومینیوم در برابر فشار حرارتی مقاومت می کند (معمولا در PCB های استاندارد FR4 با نوسانات درجه حرارت بزرگ).
مقاومت در برابر خوردگی در محیط های مرطوب (با پوشش مناسب) ، دوام بیشتر از PCB های فلزی هسته FR4 در کاربردهای دریایی یا بیرونی.

4. خنک کردن ساده
اغلب نیاز به بخاری های جداگانه را از بین می برد و اندازه و هزینه کلی دستگاه را کاهش می دهد. به عنوان مثال یک راننده LED 200W بر روی یک PCB پایه آلومینیومی می تواند بطور منفعل خنک شود،در حالی که همان طراحی بر روی هسته فلزی FR4 نیاز به یک سینک گرما دارد.

مزایای PCB هسته فلزی FR4
PCB های فلزی هسته FR4 در کاربردهای حساس به هزینه و گرمای متوسط درخشان هستند:
1. هزینه کمتر
30٪ تا 50٪ ارزان تر از PCB های آلومینیومی است که آنها را برای الکترونیک مصرفی حجم بالا (به عنوان مثال لامپ های LED، منابع انرژی کوچک) جذاب می کند.

2سازگاری با تولید استاندارد
استفاده از فرآیندهای ساخت مشابه PCB های استاندارد FR4، کاهش هزینه های راه اندازی و زمان تحویل.

3طراحی سبک
هسته فلزی نازک تر و لایه های FR4 آنها را 20٪ تا 30٪ سبک تر از PCB های پایه آلومینیومی می کند، ایده آل برای دستگاه های قابل حمل (به عنوان مثال چراغ های کاری LED باتری).

4مقاومت مکانیکی خوب
لایه های FR4 سفتی را اضافه می کنند و آنها را در برابر خم شدن بیشتر از PCB های آلومینیوم خالص مقاوم می کنند که در محیط های مستعد لرزش (به عنوان مثال، فن ها، موتورهای کوچک) مفید هستند.

محدودیت هایی که باید در نظر بگیریم
هیچکدام از این گزینه ها کامل نیستند. درک نقاط ضعف آنها برای موفقیت طراحی بسیار مهم است.
محدودیت های PCB های آلومینیومی
هزینه بالاتر: 1.5 × 2 برابر قیمت PCB هسته فلزی FR4 که می تواند برای محصولات کم هزینه و حجم بالا ممنوع باشد.
وزن: سنگین تر از هسته فلزی FR4 است که باعث می شود آنها برای دستگاه های قابل حمل مناسب نباشند.
محدودیت های طراحی: هسته آلومینیومی ضخیم انعطاف پذیری را محدود می کند؛ برای کاربردهای منحنی یا انعطاف پذیر ایده آل نیست.

محدودیت های PCB هسته فلزی FR4
سقف حرارتی: حداکثر دمای کار 130 درجه سانتیگراد (در مقابل 150 درجه سانتیگراد برای پایه آلومینیومی) استفاده را در محیط های شدید محدود می کند.
جمع آوری گرما: لایه های FR4 انتقال گرما را کند می کنند، که منجر به دمای بالاتر قطعات در کاربردهای > 50W می شود.
سفارشی سازی محدود: عملکرد حرارتی سخت تر از PCB های مبتنی بر آلومینیوم است که می توانند از مواد دی الکتریک مختلف برای نیازهای حرارتی خاص استفاده کنند.

کاربردهای ایده آل برای هر نوع
تطبیق PCB با برنامه کاربردی عملکرد و هزینه مطلوب را تضمین می کند:

PCB های آلومینیومی برای:
ال ای دی های قدرتمند: چراغ های خیابانی، چراغ های استادیوم و لامپ های بلند (100W +).
الکترونیک خودرو: واحدهای کنترل موتور (ECU) ، چراغ های جلو LED و سیستم های مدیریت باتری (BMS).
منابع برق صنعتی: 200W+ تبدیل کننده های AC-DC و محرک های موتور
الکترونیک بیرونی: نمایشگرهای LED ضد آب و هوا و اینورترهای خورشیدی.

PCB های فلزی هسته FR4 برای:
ال ای دی های قدرت متوسط: روشنایی مسکونی، نوار های ال ای دی و روشنایی علامت (10W50W).
لوازم الکترونیکی مصرفی: شارژرهای لپ تاپ، منابع برق کنسول بازی و تقویت کننده های صوتی کوچک.
دستگاه های قابل حمل: چراغ های کاری با باتری و ابزار های دستی
دستگاه های صنعتی حساس به هزینه: سنسورهای کم مصرف و کنترل کننده های موتور کوچک (10W30W).

چگونه انتخاب کنیم؟
برای انتخاب PCB مناسب از این چارچوب تصمیم گیری پیروی کنید:
1. محاسبات توان پراکندگی
<50W: PCB های فلزی هسته FR4 عملکرد حرارتی کافی را با هزینه کمتر ارائه می دهند.
50W: PCB های آلومینیومی ارزش سرمایه گذاری را برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد دارند.

2. دمای کار را چک کنید
اگر دستگاه بالاتر از 130 درجه سانتیگراد کار کند (به عنوان مثال در نزدیکی موتورها یا کوره ها) ، پایه آلومینیومی را انتخاب کنید.
برای 130 درجه سانتیگراد و کمتر، هسته فلزی FR4 کافی است.

3. ارزش گذاری هزینه در مقابل طول عمر
محصولات کوتاه مدت (به عنوان مثال، الکترونیک مصرفی یکبار مصرف): هسته فلزی FR4 هزینه های اولیه را کاهش می دهد.
محصولات با عمر طولانی (به عنوان مثال ، تجهیزات صنعتی با گارانتی بیش از 5 سال): PCB های پایه آلومینیوم هزینه های تعویض را با کاهش خرابی ها کاهش می دهند.

4. فاکتور شکل را در نظر بگیرید
دستگاه های قابل حمل / سبک وزن: وزن سبک تر هسته فلزی FR4 یک مزیت است.
تجهیزات ثابت: انتشار گرمای برتر پایه آلومینیومی باعث افزایش وزن می شود.

ملاحظات تولید
فرایندهای تولید کمی متفاوت هستند و بر زمان و هزینه های تولید تاثیر می گذارند:

تولید PCB های آلومینیومی
انتخاب دی الکتریک: اپوکسی های سرامیکی پر شده (1 ¢ 3 W / m · K) را برای استفاده عمومی یا دی الکتریک های مبتنی بر سیلیکون (3 ¢ 5 W / m · K) را برای گرما شدید انتخاب کنید.
ضخامت آلومینیوم: هسته های ضخیم تر (2 ′′ 3 میلی متر) از انتشار گرما بهبود می یابند اما وزن و هزینه را افزایش می دهند.
وزن مس: برای مسیرهای جریان بالا از مس 2 3 اونس استفاده کنید (معمولا در منابع برق).

تولید PCB هسته فلزی FR4
مواد هسته فلزی: آلومینیوم ارزان تر از مس است؛ هسته های مس هدایت حرارتی بهتری را ارائه می دهند اما 20٪ 30٪ بیشتر هزینه می کنند.
ضخامت لایه FR4: 0.1 ∼ 0.2mm لایه های تعادل سفتی و عملکرد حرارتی.
دقت حکاکی: لایه های FR4 نیاز به حکاکی دقیق دارند تا از آسیب به هسته فلزی جلوگیری شود و پیچیدگی تولید را افزایش دهد.

سوالات عمومی
س: آیا می توان از PCB های آلومینیومی با طرح های انعطاف پذیر استفاده کرد؟
ج: نه، هسته آلومینیومی ضخیم آنها را سفت می کند. برای کاربردهای انعطاف پذیر و با حرارت بالا، از PCB های فلزی انعطاف پذیر با هسته های مس نازک استفاده کنید.

س: آیا PCB های فلزی هسته FR4 با RoHS مطابقت دارند؟
ج: بله ٬ مانند PCB های آلومینیومی، از مواد بدون سرب استفاده می کنند و با RoHS، REACH و سایر استانداردهای زیست محیطی سازگار هستند.

س: رسانایی حرارتی تا چه حد بر عملکرد تاثیر می گذارد؟
A: به طور قابل توجهی. یک PCB پایه آلومینیومی 2 W / m · K یک جزء 100W را 15 ° C سرد تر از یک PCB هسته فلزی FR4 1 W / m · K اجرا می کند.

س: آیا می توانم بخارگرهای حرارتی را به PCB های فلزی هسته FR4 اضافه کنم تا عملکرد پایه آلومینیومی را مطابقت دهد؟
A: بله، اما بخاری های حرارتی هزینه، اندازه و وزن را اضافه می کنند که اغلب مزایای هسته فلزی FR4 را رد می کند. در کاربردهای > 50W، پایه آلومینیوم کارآمدتر است.

س: آیا PCB های آلومینیومی نیاز به فرآیندهای ویژه مونتاژ دارند؟
ج: نه، آنها از روش های استاندارد SMT و مونتاژ سوراخ استفاده می کنند، اگرچه باید مراقب باشند که از خم کردن هسته آلومینیوم سفت جلوگیری شود.

نتیجه گیری
PCB های مبتنی بر آلومینیوم و PCB های هسته فلزی FR4 هر دو چالش های حرارتی را حل می کنند، اما نقاط قوت آنها به نیازهای مختلف پاسخ می دهد. PCB های مبتنی بر آلومینیوم استاندارد طلا برای قدرت بالا هستند،کاربردهای درجه حرارت شدیددر حالی که PCB های فلزی هسته FR4 ،ارائه یک راه حل میانگین مقرون به صرفه برای دستگاه های میان قدرت که در آن هزینه و وزن مهم تر از عملکرد حرارتی نهایی است.
با هماهنگی انتخاب شما با نیازهای برق، شرایط عملیاتی و بودجه، شما مطمئن خواهید شد که PCB شما نه تنها کار می کند بلکه دوام می آورد.بهترین گزینه گزینه ای است که عملکرد و کاربرد را برای پروژه خاص شما متعادل می کند..