I PCB in alluminio presentano eccellenti prestazioni elettriche, capacità di dissipazione termica, schermatura elettromagnetica, elevata rigidità dielettrica e resistenza alla flessione, e sono ampiamente utilizzati in numerosi settori come l’illuminazione LED ad alta potenza, l’energia, le sorgenti di retroilluminazione per televisori, l’automotive, i computer, i moduli a frequenza variabile per condizionatori d’aria, l’elettronica aerospaziale, le telecomunicazioni, la cura medica, l’audio ecc. Persino per quanto riguarda la fotocamera del cellulare, che è la più comunemente utilizzata, il PCB in alluminio è una parte essenziale del telefono cellulare. Come uno dei tipi di PCB a base metallica (MCPCB), i PCB in alluminio condividono molte somiglianze con i PCB FR4 in termini di processo o tecnica di produzione, come l’incisione di fogli di rame spesso, la protezione dell’incisione della superficie in alluminio, la produzione di schede in alluminio emaschera di saldaturastampa ecc.
Sviluppati negli anni ’70, i PCB in alluminio hanno iniziato a diffondersi a partire dalla loro prima applicazione negli IC ibridi di amplificazione di potenza (circuiti integrati). Negli ultimi anni si è assistito a un impiego sempre più ampio e a una tendenza allo sviluppo dei PCB in alluminio, soprattutto grazie alla spinta dell’industria dei LED. Pertanto, è necessario conoscere alcune caratteristiche importanti dei PCB in alluminio, in modo da poterli sfruttare meglio nei propri prodotti o nel proprio settore.
Proprietà dei PCB in alluminio
• Struttura del PCB in alluminio
Quando si tratta della struttura del PCB in alluminio, indica in modo autentico la struttura dell’alluminiolaminato rivestito di rame (CCL)composto da foglio di rame, strato dielettrico, base in alluminio e membrana di base in alluminio (selettiva). La struttura del CCL in alluminio è indicata di seguito.
1. Strato di foglio di rame
Il CCL in alluminio presenta lo stesso strato di lamina di rame dei CCL ordinari e, poiché lo strato del circuito richiede una grande capacità di trasporto di corrente, si seleziona un circuito in rame relativamente spesso, con uno spessore da 1oz a 10oz. Il lato posteriore della lamina di rame deve essere sottoposto a trattamento di ossidazione chimica, mentre la superficie deve essere sottoposta a zincatura e placcatura in ottone per migliorare la resistenza al distacco.
2. Strato dielettrico
Lo strato dielettrico è composto da uno strato di materiale dielettrico termicamente conduttivo con bassa resistenza termica, il cui spessore va da 50 μm a 200 μm, che rappresenta la tecnologia centrale del CCL in alluminio. Offre prestazioni eccellenti contro l’invecchiamento termico e può sopportare sollecitazioni meccaniche e termiche.
3. Strato di base in alluminio
Lo strato di base in alluminio è in realtà il materiale del substrato in alluminio che costituisce il componente di supporto dello strato di base in alluminio. È richiesto che abbia un’elevata conducibilità termica e che sia adatto alla normale lavorazione meccanica, come foratura, punzonatura e taglio.
4. Membrana con base in alluminio
La membrana con base in alluminio svolge il ruolo di proteggere la superficie in alluminio da graffi e attacchi chimici. Le membrane possono essere classificate in ordinarie (inferiori a 120°C) e resistenti alle alte temperature (250°C). Il secondo tipo soddisfa i requisiti del processo HASL (livellamento con aria calda dello stagno).finitura superficiale.
• Prestazioni dei PCB in alluminio
1. Dissipazione termica
Rispetto ai normali PCB in FR4, i PCB in alluminio offrono prestazioni migliori in termini di dissipazione termica e sono in grado di dissipare rapidamente il calore. Prendiamo come esempio il confronto tra un PCB in FR4 e un PCB in alluminio con spessore equivalente di 1,5 mm. La resistenza termica di un PCB in FR4 va da 20°C/W a 22°C/W, mentre quella di un PCB in alluminio va da 1°C/W a 2°C/W. Pertanto, l’alluminio può funzionare molto bene nella dissipazione del calore.
2. Dilatazione termica
La dilatazione e la contrazione termica sono proprietà comuni delle sostanze e sostanze diverse presentano differenti coefficienti di dilatazione termica. Poiché i PCB in alluminio offrono prestazioni eccellenti in termini di dissipazione del calore, i problemi di dilatazione e contrazione termica dei componenti sulla superficie della scheda possono essere quindi notevolmente ridotti, migliorando la durata e l’affidabilità dell’apparecchiatura e dei dispositivi elettronici completi. Questo vantaggio dei PCB in alluminio risulta particolarmente efficace per i problemi di dilatazione e contrazione termica nella tecnologia SMT (surface mount technology).
3. Stabilità dimensionale
I PCB in alluminio presentano una dimensione chiaramente stabile. Quando vengono riscaldati da 30°C a 140°C o 150°C, la loro dimensione varia solo dal 2,5% al 3,0%.
4. Altre esibizioni
a. Applicabile per il dispositivo di potenza SMT.
b. Efficace nell'espansione termica del progetto del circuito.
c. Utile per ridurre la temperatura di esercizio, migliorare la densità di potenza e l’affidabilità del prodotto e prolungarne la durata di conservazione.
d. Ridurre il volume del prodotto e diminuire i costi dell'hardware e dell'assemblaggio.
e. Sostituzione della fragile base in ceramica con una che offra migliori proprietà isolanti e maggiore resistenza meccanica.
Classificazione dei PCB in alluminio
In base al tipo di applicazione e al materiale dello strato dielettrico, i PCB in alluminio possono essere classificati in tre categorie:
• PCB universale in alluminio - Lo strato dielettrico è composto da preimpregnato in fibra di vetro epossidica.
• PCB in alluminio ad alta conducibilità termica - Lo strato dielettrico è composto da resina epossidica o da altri tipi di resina con elevata capacità di conduzione termica.
• PCB in alluminio ad alta frequenza e a microonde - Lo strato dielettrico è composto da resina poliolefinica o preimpregnato in fibra di vetro con resina poliimmidica.
Difficoltà di produzione dei PCB in alluminio e soluzioni
Indipendentemente che si tratti di PCB in alluminio a singolo strato, doppio strato o multistrato, o di MCPCB, essi condividono molte somiglianze con il processo di produzione dei PCB in FR4. Tuttavia, i PCB in alluminio, in quanto tipo avanzato di PCB, presentano ancora aspetti speciali nel processo di produzione, che richiedono una gestione e un controllo rigorosi ed efficaci.
• Incisione di fogli di rame spesso
I PCB in alluminio sono solitamente utilizzati in dispositivi di potenza con elevata densità di potenza, quindi il foglio di rame è relativamente spesso. Quando il foglio di rame ha uno spessore di 3 oz o più, l’incisione del rame richiede una compensazione della larghezza delle tracce. In caso contrario, la larghezza delle tracce sarà fuori tolleranza dopo l’incisione. Pertanto, per garantire una larghezza/spaziatura delle tracce e un controllo dell’impedenza ottimali in grado di soddisfare i requisiti di progettazione, è necessario completare in anticipo il seguente lavoro.
a. La compensazione della larghezza delle tracce deve essere progettata in modo appropriato.
b. L’effetto della produzione delle tracce sulla larghezza/distanza tra le tracce dovrebbe essere eliminato.
c. I fattori di incisione e i parametri degli agenti devono essere rigorosamente controllati.
• Stampa della maschera di saldatura
La stampa della solder mask è considerata una difficoltà di produzione nella fabbricazione di PCB in alluminio a causa dell’effetto del foglio di rame spesso. Se lo spessore del rame delle tracce è straordinario dopo l’incisione dell’immagine, si genererà una grande differenza tra la superficie delle tracce e il pannello di base e la solder mask diventerà difficile da applicare. Per garantire una stampa fluida della solder mask, occorre conformarsi ai seguenti principi:
a. L’olio della maschera di saldatura dovrebbe essere selezionato con prestazioni di alta qualità.
b. Viene utilizzata la stampa della solder mask in due passaggi.
c. Quando necessario, si ricorre al metodo di produzione che prevede prima il riempimento in resina e poi la solder mask.
• Produzione meccanica
La produzione meccanica di PCB in alluminio comprende foratura meccanica, fresatura e stampaggio, nonché v-scoring, e tende a lasciare bave sui fori passanti interni, il che ridurrà la resistenza elettrica. Pertanto, per garantire una produzione meccanica di alta qualità, occorre attenersi ai seguenti principi:
a. Per la produzione a basso volume si dovrebbero utilizzare una fresatrice elettrica e una fresa professionale.
b. La tecnica di controllo e il modello devono essere considerati nel processo di stampaggio dello stampo.
c. I parametri di foratura devono essere adeguatamente regolati sui PCB in alluminio con rame spesso per evitare la formazione di bave.
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