PCB های آلومینیومی در مقابل FR4: چه زمانی باید تکنولوژی هسته فلزی را انتخاب کنید؟

در دنیای صفحه های مداری چاپی، دو فناوری غالب هستند: PCB های سنتی FR4 و PCB های پایه آلومینیوم (سیار فلزی).PCB های مبتنی بر آلومینیوم (MCPCBs) به عنوان راه حل های حیاتی برای قدرت بالا ظاهر شده انداز چراغ های LED تا اینورترهای خودرو، این روش ها به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن است به اندازه ای که ممکن استانتخاب بستر اشتباه می تواند منجر به گرم شدن بیش از حد شوددر اینجا یک تجزیه و تحلیل دقیق از نحوه مقایسه این فناوری ها و زمان انتخاب یکی از آنها در مقابل دیگری ارائه شده است.

نکته های کلیدی
a.PCB های آلومینیومی در مدیریت حرارتی برجسته هستند، و حرارت را 3 ٪ 10 برابر سریعتر از FR4 از بین می برند، که آنها را برای قطعات با قدرت بالا (10W +) ایده آل می کند.
b.FR4 همچنان برای کاربردهای کم مصرف (≤5W) و الکترونیک عمومی، با دسترسی بهتر و هزینه های تولید پایین تر، مقرون به صرفه است.
c. PCBهای آلومینیومی دمای اجزای را در سیستم های با قدرت بالا به میزان 20-50 درجه سانتیگراد کاهش می دهند و طول عمر را در مقایسه با FR4 2 × 3 برابر افزایش می دهند.
d.انتخاب بستگی به تراکم قدرت، محیط عملیاتی (درجه حرارت / ارتعاش) و محدودیت های هزینه دارد: آلومینیوم برای دستگاه های فشار گرما، FR4 برای پروژه های کم مصرف و حساس بودجه.

PCB های آلومینیومی و FR4 چیست؟

PCB های مبتنی بر آلومینیوم (MCPCB)
PCB های مبتنی بر آلومینیوم (همچنین به عنوان PCB های هسته فلزی یا MCPCBs نیز شناخته می شوند) دارای ساختار لایه ای هستند که در اطراف یک بستر آلومینیومی ساخته شده اند:
a. هسته آلومینیومی: یک پایه آلومینیومی ضخیم (0.3 ∼3 میلی متر) که به عنوان یک بخارگر عمل می کند، گرما را از قطعات جذب می کند.
b.سطح دی الکتریک: یک لایه عایق نازک (25μ150μm) (معمولا اپوکسی یا پلی آمید) که در حالی که برق را مسدود می کند، گرما را هدایت می کند.
c.Copper Circuit Layer: 1 ¢3 اونس آثار مس برای رسانایی الکتریکی، به لایه دی الکتریک متصل شده است.
این طراحی به هدایت حرارتی اولویت می دهد و باعث می شود که PCB های آلومینیومی در از بین بردن گرما بسیار موثرتر از بستر های سنتی باشند.

PCB های FR4
FR4 یک لایه اپوکسی تقویت شده با فیبرگلاس است که رایج ترین بستر PCB در سراسر جهان است. ساختار آن شامل:
a.FR4 Core: یک کامپوزیت سخت فیبرگلاس-اپوکسی (0.4~3.2mm ضخامت) که ثبات مکانیکی را فراهم می کند.
b. لایه های مس: 1 ¢4 اونس آثار مس به هسته با چسب متصل شده است.
c. ماسک سولدر: یک لایه محافظ برای عایق بندی رد و رد و جلوگیری از مدار کوتاه
FR4 به دلیل هزینه پایین، سفتی و سازگاری با فرآیندهای تولید استاندارد ارزش گذاری می شود، اما رسانایی حرارتی ضعیف دارد.

مقایسه ی سر به سر: پایه ی آلومینیوم در مقابل FR4

چرا رسانایی حرارتی مهم است

رسانایی حرارتی توانایی انتقال گرما تفاوت تعیین کننده بین پایه آلومینیوم و PCB FR4 است. برای اجزای با قدرت بالا این تفاوت حیاتی است:
یک ال ای دی 50 وات نصب شده بر روی یک PCB FR4 می تواند 120 °C در اتصال را به دست آورد و طول عمر را به 20،000 ساعت کاهش دهد.
همان ال ای دی بر روی یک PCB پایه آلومینیومی در 70 درجه سانتیگراد باقی می ماند و طول عمر آن را به 50،000 ساعت افزایش می دهد.
در کاربردهای خودرو، یک اینورتر EV که 100 کیلو وات قدرت تولید می کند، بر روی FR4 بیش از حد گرم می شود و باعث خاموش شدن یا خطر آتش سوزی می شود.نگه داشتن اجزای داخل محدوده های عملیاتی ایمن (≤100°C).

چه زمانی باید PCB های آلومینیومی را انتخاب کنیم
PCB های مبتنی بر آلومینیوم در کاربردهایی که مدیریت گرما به طور مستقیم بر عملکرد یا ایمنی تأثیر می گذارد، ارزش هزینه بالاتر را دارند:

1چراغ های LED با قدرت بالا
ال ای دی ها (به ویژه نسخه های با روشنایی بالا) تنها 20-30٪ از انرژی را به نور تبدیل می کنند، بقیه به گرما تبدیل می شود.
دمای اتصال LED را در مقایسه با FR4 40 60 °C کاهش دهید.
طول عمر LED را از 20،000 ساعت به 50،000+ ساعت در چراغ های خیابانی، وسایل استادیوم و چراغ های جلو خودرو افزایش دهید.
طراحی های کوچک تر و جمع و جور تر را با حذف بخاری های بیرونی گرما فعال کنید.

2الکترونیک خودرو
وسایل نقلیه به PCB هایی نیاز دارند که در برابر دماهای شدید و ارتعاش مقاومت کنند:
اینورترهای EV و کنترل کننده های موتور: این سیستم های 600V + گرما بسیار زیادی تولید می کنند. PCB های آلومینیومی IGBT ها را (ترانزیستورهای دو قطبی گیت عایق) در زیر 100 درجه سانتیگراد نگه می دارند و از فرار حرارتی جلوگیری می کنند.
حسگرهای ADAS: ماژول های رادار و LiDAR در وسایل نقلیه مستقل نیاز به دمای پایدار برای خواندن دقیق دارند. PCB های آلومینیومی در مقایسه با FR4 70٪ حرکت حرارتی را کاهش می دهند.
چراغ های جلو LED: مقاومت در برابر گرما زیر هود (120 ° C +) و لرزش، اطمینان از عملکرد مداوم در زمین های خشن.

3سیستم های برق صنعتی
تجهیزات کارخانه ای مانند محرک های موتور، منابع برق و کنترل کننده های جوش بر روی PCB های آلومینیومی تکیه می کنند:
یک کنترل کننده صنعتی 200A بر روی یک PCB آلومینیومی 30 درجه سانتی گراد سردتر از FR4 کار می کند، زمان توقف از گرم شدن بیش از حد را 80٪ کاهش می دهد.
مقاومت لرزش آنها (20G تحمل شوک) آنها را برای ماشین آلات در کارخانه های تولیدی ایده آل می کند.

4سیستم های انرژی تجدیدپذیر
اینورترهای خورشیدی و کنترل کننده های توربین بادی جریان های بالا را کنترل می کنند، که مدیریت گرما را حیاتی می کند:
PCBهای آلومینیومی در اینورترهای خورشیدی با نگه داشتن قطعات خنک، کارایی تبدیل انرژی را تا ۳ تا ۵ درصد بهبود می بخشند.
آنها بدون از دست دادن عملکرد، در مقابل FR4 که در سرما شدید تخریب می شود، به نوسانات دمای بیرون (-40 °C تا 85 °C) مقاومت می کنند.

چه موقع باید با PCB های FR4 بچسبید؟
FR4 انتخاب بهتری در کاربردهایی است که در آن گرما و قدرت حداقل هستند یا هزینه عامل اصلی است:

1الکترونیک مصرفی کم مصرف
دستگاه هایی که قطعات کوچکی دارند و تولید گرما کم دارند بر روی FR4 رشد می کنند:
تلفن های هوشمند و تبلت ها: پردازنده ها و سنسورها <5W مصرف می کنند و گرما کمی تولید می کنند. سفتی FR4® از اجزای حساس محافظت می کند.
وسایل پوشیدنی: ساعت های هوشمند و ردیاب های تناسب اندام از تراشه های کم مصرف (<2W) استفاده می کنند که در آن گرما مشکلی ندارد. هزینه پایین FR4 باعث می شود قیمت دستگاه رقابتی باشد.
لوازم خانگی: پنل های کنترل مایکروویو و صفحه مدار تلویزیون با <10W کار می کنند، که محدودیت های حرارتی FR4 ¢ را بی اهمیت می کند.

2حسگرها و کنترل هاي ولتاژ پايين
سنسورها و سیستم های ولتاژ پایین محدودیت های حرارتی FR4 را تحت فشار قرار نمی دهند:
سنسورهای دمای/رطوبت: مصرف <1W، بدون خطر گرم شدن بیش از حد FR4.
اتوماسیون ساختمان: ترموستات ها و کنترل های نورپردازی در 5 و 12 ولت کار می کنند، که باعث می شود مزایای هزینه FR4 برای تاسیسات در مقیاس بزرگ حیاتی باشد.

3. تولید حجم بالا و حساس به هزینه
برای تولید کنندگان تولید 100،000+ واحد، FR4 ¢s هزینه پایین تر اضافه می شود:
یک اسپیکر هوشمند با یک PCB FR4 هزینه
2ـ 3 واحد کمتر از يک واحد با آلومينيوم بر پايه پي سي بي براي يک ميليون واحد، اين
۲٫۳ میلیون دلار
در دسترس بودن گسترده FR4 و فرآیندهای تولید بالغ، زمان های تحویل را در مقایسه با PCB های آلومینیومی 1 تا 2 هفته کاهش می دهد.

عملکرد در دنیای واقعی: مطالعات موردی

1چراغ های خیابانی LED
یک شهر چراغ های خیابانی LED مبتنی بر FR4 را با نسخه های پایه آلومینیوم جایگزین کرد:
نتیجه: دمای اتصال LED از 110 درجه سانتیگراد به 75 درجه سانتیگراد کاهش یافت.
تاثیر: طول عمر از 3 سال به 7 سال افزایش یافت و هزینه های نگهداری را 60٪ کاهش داد.

2سیستم مدیریت باتری خودرو
یک سازنده اتومبیل از FR4 به PCB های آلومینیومی در ماژول های BMS تغییر کرد:
نتیجه: خرابی های مربوط به گرما در آزمایش دمای شدید (-40 °C تا 85 °C) 70٪ کاهش یافت.
تاثیر: طول عمر بسته باتری به مدت 2 سال افزایش یافته و اعتماد مصرف کننده را بهبود می بخشد.

3تولید روتر مصرف کننده
یک شرکت فناوری برای روترهای کم مصرف خود FR4 را انتخاب کرد:
نتیجه: هیچ مشکلی با عملکرد (روتر حداکثر 8W مصرف می کند)
تاثیر: صرفه جویی 0.75 در هر واحد، در مجموع 750,000 در یک واحد 1 میلیون.

فاکتورهای کلیدی برای انتخاب
انتخاب بین پایه آلومینیوم و PCB FR4 بستگی به سه سوال دارد:

1چگالي انرژي چقدر است؟
قدرت بالا (> 10W): PCB های پایه آلومینیومی از گرم شدن بیش از حد جلوگیری می کنند.
قدرت کم (<5W): FR4 کافی است و ارزان تر است.

2محیط عملیاتی چیست؟
دمای شدید / ارتعاش: PCB های آلومینیومی در شرایط سخت مقاومت می کنند.
محیط های کنترل شده (20-30°C): FR4 به خوبی کار می کند و هزینه را صرفه جویی می کند.

3بودجه و حجمش چقدره؟
حجم کم / قابلیت اطمینان بالا: پایه آلومینیومی هزینه های بالاتر را توجیه می کند.
حجم بالا/هزینه پایین: اقتصاد مقیاس FR4

تصورات غلط رایج
1افسانه: PCB های آلومینیومی همیشه برای دوام بهتر هستند.
واقعیت: سفتی FR4 ‬ باعث می شود که در برابر ضربه های فیزیکی (به عنوان مثال، قطرات) در دستگاه های مصرفی مقاوم تر باشد.
2افسانه: FR4 نمي تونه با گرما کنار بياد.
واقعیت: FR4 برای دستگاه های کم مصرف کار می کند؛ تنها کاربردهای با قدرت بالا به آلومینیوم نیاز دارند.
3افسانه: PCB های آلومینیومی برای پروژه های کوچک بسیار گران هستند.
واقعیت: برای نمونه های اولیه یا طرح های با حجم کم و قدرت بالا (به عنوان مثال، 100 واحد) ، مزایای عملکرد از هزینه بیشتر است.

سوالات عمومی
س: آیا PCB های آلومینیومی می توانند جایگزین FR4 در تمام کاربردهای مختلف شوند؟
A: نه. برای طرح های کم مصرف و حساس به هزینه، FR4 عملی تر است. PCB های پایه آلومینیوم تنها زمانی ضروری هستند که گرما یک عامل حیاتی باشد.

س: آیا PCB های آلومینیومی با فرآیندهای تولید استاندارد سازگار هستند؟
ج: بله. آنها از همان تجهیزات حکاکی، حفاری و جوشاندن مانند FR4 استفاده می کنند، اگرچه برخی از مغازه ها برای دست زدن به هسته های فلزی هزینه بیشتری دریافت می کنند.

س: حداکثر قدرت یک PCB FR4 چیست؟
A: FR4 برای اجزای تا 10W کار می کند اگر بخاری های حرارتی اضافه شود. فراتر از آن، PCB های پایه آلومینیوم برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد توصیه می شود.

س: آیا PCB های آلومینیومی نیاز به ملاحظات طراحی ویژه دارند؟
ج: بله. رسانایی حرارتی آنها به این معنی است که ردپای آن ها می تواند باریک تر باشد (از آنجا که گرما بهتر گسترش می یابد) و برای قدرت شدید با بخاری های حرارتی به خوبی ترکیب می شوند.

سوال: آیا میان پایه آلومینیوم و FR4 راهی وجود دارد؟
A: بله. PCB های مسی رسانایی حرارتی بهتری نسبت به آلومینیوم (2030 W / m · K) ارائه می دهند ، اما هزینه آنها 2 × 3 برابر بیشتر است ، که آنها را برای کاربردهای هوافضا یا نظامی مناسب می کند.

نتیجه گیری
PCB های مبتنی بر آلومینیوم و FR4 نقش های متمایزی در الکترونیک دارند. PCB های مبتنی بر آلومینیوم انتخاب روشن برای کاربردهای با قدرت بالا، حساس به گرما یا محیط خشن هستند.در صورتی که رسانایی حرارتی و دوام آنها هزینه های بالاتر را توجیه می کند. FR4 همچنان برای طراحی های کم مصرف، حساس به هزینه یا حجم بالا، که در آن مقرون به صرفه و قابلیت اطمینان آن درخشان است، بی نظیر است. با تطبیق PCB با نیازهای انرژی و محیط دستگاه شما،شما عملکرد را بهینه می کنید، کاهش هزینه ها و اطمینان از قابلیت اطمینان طولانی مدت.