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为什么选择铝基板PCB？

电子电路开发学习 2020-04-20 00:00
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1.前言

前面介绍了 陶瓷PCB电路板的优缺点，其中有个缺点就是陶瓷基板太贵和易碎。普通玻璃纤维PCB散热性不好，陶瓷PCB比较稳定，高温高湿环境下不易变形，但是价格比较贵，常用在高端产品上。如果我的产品不是那么高端，比如大面积大功率的LED灯板，比较廉价，但是需要非常好的散热性能，有没有一种材质既廉价，散热性又好的PCB基板呢？
LED灯具PCB
答案是肯定的。那就是本篇文章要介绍的 铝基板PCB，大家都知道 铝是一种金属，具有导电性，怎么能作为PCB材料呢？
这是因为铝基板由三层结构组成，分别是： 铜箔、绝缘层和金属铝。既然有绝缘层的存在，那么金属层除了铝，能不能使用其他材料呢？如铜板、不锈钢、铁板、硅钢板等。金属基板采用哪种材料，除了要考虑散热性能，还要考虑金属基板的热膨胀系数，热传导能力，强度，硬度，重量，表面状态和成本等条件。
一般情况下，从成本和技术性能等条件来考虑，铝板是比较理想的选择。可供选择的铝板有6061，5052，1060 等。如果有更高的热传导性能、机械性能、电性能和其它特殊性能的要求，铜板、不锈钢板、铁板和硅钢板等亦可采用。
铝基板PCB
常见于LED照明产品，有正反两面，白色的一面是焊接LED引脚的，另一面呈现铝本色，一般会涂抹导热凝浆后与导热部分接触。主要用在LED灯具和音频设备、电源设备等，最主要的优点就是导热快，散热性能良好。
LED灯具电路板
与传统的FR-4 比，铝基板能够将热阻降至最低，使铝基板具有极好的热传导性能；与 陶瓷基板相比，它的机械性能又极为优良。
除了良好的散热性能外，铝基板还具有以下优势：

  • 符合RoHS环保要求

  • 更适合SMT工艺

  • 更高的载流能力

  • 在电路设计方案中对热扩散进行极为有效的处理，从而降低模块运行温度，延长使用寿命，提高功率密度和可靠性；

  • 减少散热器和其它硬件（包括热界面材料）的装配，缩小产品体积，降低硬件及装配成本；将功率电路和控制电路最优化组合；

  • 取代易碎的陶瓷基板，获得更好的机械耐久力。

装配方式比较
和普通的FR-4板材相比，铝基板还有一个最大的优势就是可以承载更高的电流。与FR-4一样，线路层采用的都是铜箔作为导线进行连接，与传统的FR-4相比，采用相同的厚度，相同的线宽，铝基板能够承载更高的电流。
载流能力对比
铝基板的核心技术是中间的绝缘层材料，主要起到 粘合、绝缘和导热的功能。铝基板绝缘层是功率模块结构中最大的导热屏障。绝缘层热传导性能越好，越有利于器件运行时所产生热量的扩散，也就越有利于降低器件的运行温度，从而达到提高模块的功率负荷，减小体积，延长寿命，提高功率输出等目的。在满足导热性能良好的同时，还要具备高电压的绝缘能力。

2.与FR-4板材的区别

  • 散热性

铝基覆铜板与常规FR-4覆铜板最大差异在于散热性，以1.5mm厚度的FR-4覆铜板与铝基覆铜板相比，前者热阻20~22 ℃、后者热阻1.0~2.0℃，后者小得多。

  • 热膨胀系数

由于一般的FR-4都存在着热膨胀的问题，即高温会导致板材厚度和平整度的变化，特别是板的厚度方向的热膨胀，使金属化孔、线路的质量受到影响。这主要原因是板的原材料厚度方向的热膨胀系数有差异：铜的热膨胀系数为17×106cm/cm℃、FR-4板基材为110×106cm/cm℃，两者相差较大，容易产生热膨胀效应。铝基板的热膨胀系数为50×106cm/cm℃，比一般的FR-4板小，更接近于铜箔的热膨胀系数。这样有利于保证印制电路板的质量、可靠性。
铝基板和FR-4基板PCB

  • 主要用途

FR-4板适用于一般电路设计和普通电子产品。 铝基板适用于有特殊要求的电路。如：厚膜混合集成电路、电源电路的散热、电路中元器件的散热降温、陶瓷基片难以胜任的大规模基片、使用普通散热器不能解决可靠性的电路。

  • 机械加工性

铝基板具有高机械强度和韧性，此点优于FR-4板。为此在铝基板上可实现大面积的印制板的制造，重量大的元器件可在此类基板上安装。

  • 电气性能

从铝基板与FR-4板的对比看，由于金属基板的散热性高，对导线熔断电流有明显的提高，这从另一个角度表明了铝基板的高散热性的特性。其铝基板的散热性与它的绝缘层厚度、热传导性有关。绝缘层越薄，铝基板的热传导性越高（但耐压性能就越低）。为了保证电子电路性能，电子产品中的一些元器件需防止电磁波的辐射、干扰。铝基板可充当屏蔽板，起到屏蔽电磁波的作用。

  • 绝缘性能

在一般的条件下，铝基板的那耐压值的大小是由 绝缘层的厚度来决定的，在铝基板中耐压值普遍在500v左右，如果需要测试LED日光灯铝基板的耐压值，只需在输入端口外壳打高压测试就行了。UL和CE认证值应该是2500V，3C认证的应该是在3750V。

3.铝基板的分类

铝基覆铜板分为三类:

  • 通用型铝基覆铜板，绝缘层由环氧玻璃布粘结片构成;

  • 高散热铝基覆铜板，绝缘层由高导热的环氧树脂或其它树脂构成;

  • 高频电路用铝基覆铜板，绝缘层由聚烯烃树脂或聚酰亚胺树脂玻璃布粘结片构成。

4.主要用途

  • 灯具产品，大功率LED灯具产品。

  • 音频设备，前置放大器、功率放大器等。

  • 电源设备，DC/AC变换器、整流电桥、固态继电器等。

  • 通讯产品， 高频增幅器、滤波电器、发报电路。

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