لوحات الدوائر المطبوعة ذات القاعدة الألومنيوم مقابل لوحات الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية FR4: دليل شامل

في عالم الإلكترونيات ذات الطاقة العالية، الإدارة الحرارية هي أمر لا يُمكن التغيّر.اختيار رصيف PCB يؤثر مباشرة على الأداء، والموثوقية، وطول العمر. خياران شائعان للتطبيقات كثيفة الحرارة هما PCBs الألومنيوم الأساس و FR4 PCBs الأساس المعدنيهذا الدليل يكسر اختلافاتهم، المزايا، التطبيقات المثالية، وكيفية اختيار الحق واحد لمشروعك.

المعلومات الرئيسية
1تبدد أقراص PCB ذات القاعدة الألومنيوم الحرارة بسرعة 5 × 8 أضعاف من FR4 القياسية ، مما يجعلها مثالية لضوء LED عالي الطاقة وأجهزة 100W+.
2توفر أقراص PCB ذات نواة معدنية FR4 توازنًا بين الأداء الحراري والتكلفة ، مع تبديد الحرارة أفضل بـ 2 ٪ 3 مرات من FR4 القياسي.
3تتفوق أقراص PCB الألومنيوم في درجات الحرارة القصوى (من 50 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية) ، بينما تقتصر أقراص PCB FR4 المعدنية على 130 درجة مئوية كحد أقصى.
4من حيث التكلفة ، تكون أقراص PCB ذات قاعدة الألومنيوم أكثر تكلفة بنسبة 1.5 × 2 أضعاف من خيارات الأساس المعدني FR4 ولكنها توفر موثوقية عالية على المدى الطويل في البيئات عالية الحرارة.

ما هي PCB القائمة على الألومنيوم؟
تحتوي أقراص PCB الألومنيومية (وتسمى أيضًا أقراص PCB الألومنيومية الأساسية) على طبقة رقيقة من المواد الديولكتريكية الموصلة حراريًا مرتبطة بطبقة ألومنيوم سميكة (عادة 0.8 ∼ 3.0 ملم سميكة).:
a.قلب الألومنيوم: 90٪ إلى 95٪ من سمك اللوحة، يعمل كمساحة حرارة.
طبقة كهربائية حرارية: 50 ‰ 200μm سميكة (غالباً ما تكون البوكسية المملوءة بالسيراميك) ذات الموصلات الحرارية العالية (1 ‰ 5 W / m · K).
طبقة الدوائر النحاسية: 1 ′′3oz (35 ′′105μm) لحمل التيار وتوجيه الإشارة.
هذا التصميم يخلق "مسارًا حراريًا" يستقطب الحرارة من المكونات مباشرةً إلى قلب الألومنيوم ، والذي يضيعها بعد ذلك في البيئة المحيطة.

كيف تعمل PCB القائمة على الألومنيوم
نقل الحرارة: عندما يولد مكون (مثل شريحة LED) الحرارة ، فإنها تتدفق من خلال طبقة النحاس إلى الديليكتريك الحراري ، ثم إلى قلب الألومنيوم.
تبديد الحرارة: يقوم قلب الألومنيوم بنشر الحرارة عبر سطحه، مستفيدًا من مساحته الكبيرة لتبريد سلبيًا (أو مع أوعية حرارة للتبريد النشط).
العزل الكهربائي: الطبقة الديالكترونية تمنع التوصيل الكهربائي بين الدائرة النحاسية والقلب الألومنيوم، مما يضمن السلامة والوظيفة.

ما هي الـ FR4 الـ Metal Core PCBs؟
يجمع PCBs الأساسية المعدنية FR4 (MCPCBs) بين مألوف FR4 مع قلب معدني لتحسين الأداء الحراري. يختلف هيكلهم عن PCBs الأساسية للألومنيوم:
a.الواحد المعدني: عادةً من الألومنيوم أو النحاس، سمك 0.3~1.5 ملم (أرقل من أقراص PCB الألومنيومية).
طبقات FR4: 1 ′′ 2 طبقات من FR4 القياسية (الايبوكسي المقوى بالزجاج) متصلة بالجوهر المعدني، مما يوفر قوة ميكانيكية.
طبقة الدوائر النحاسية: 1 ′′2 أونص (35 ′′70μm) ، مماثلة لـ PCBs القياسية ولكن محسّنة لتدفق الحرارة.
التوصيل الحراري هنا يأتي من النواة المعدنية ، ولكن طبقات FR4 تعمل كحاجز جزئي ٪ تبطئ نقل الحرارة مقارنة مع PCBs الأساس الألومنيوم.

كيف تعمل بروتوكولات الكربون المتعددة الأساسية FR4
نقل الحرارة: تسافر الحرارة من المكونات من خلال طبقات النحاس و FR4 إلى النواة المعدنية ، والتي تنتشر عبر اللوحة.
ب. تصميم تنازل: تضيف طبقات FR4 صلابة هيكلية ولكنها تقلل من الكفاءة الحرارية، مما يجعلها مكانا وسطا بين FR4 القياسية و PCB القاعدة الألومنيوم.
ج. كفاءة التكلفة: باستخدام FR4 (مواد منخفضة التكلفة) ، تتجنب هذه الأقراص PCB فائدة تصميمات الألومنيوم النقي مع استمرار تفوقها على FR4 القياسي.

أساس الألومنيوم مقابل FR4 PCBs في الأساس المعدني: الاختلافات الرئيسية
يسلط الجدول أدناه الضوء على اختلافات أدائهم الحرجة وتصميمهم:

الأداء الحراري: لماذا يهم
في تطبيقات الطاقة العالية، حتى زيادة درجة الحرارة بنسبة 10 درجة مئوية يمكن أن تقلل من عمر المكون بنسبة 50٪ (حسب معادلة آرينيوس). إليك كيف تتراكم هذه PCBs:

PCBs أساس الألومنيوم: معالجة الحرارة المتفوقة
a. التوصيل الحراري: الطبقة الديولكتريكية المملوءة بالسيراميك (1 5 W/m·K) تفوق FR4 (0.2 0.3 W/m·K) بنسبة 5 25x.
تأثير في العالم الحقيقي: يعمل محرك LED بقدرة 100 واط على PCB أساس الألومنيوم بتبريد 25-30 درجة مئوية أقل من نفس التصميم على قلب معدني FR4.
c.التطبيقات: مثالية للأجهزة التي لديها تبديد طاقة > 50 واط، مثل:
إضاءة LED عالية المرفق (100 ′′ 300 واط)
المصابيح الأمامية للسيارات LED (50-150W).
أجهزة تحكم المحرك الصناعي (200 ‰ 500 واط)

بروتوكولات الكربون المتعددة الأساسية FR4: أداء متوازن
a. التوصيل الحراري: يحسن النواة المعدنية تدفق الحرارة ، ولكن طبقات FR4 تحد من ذلك إلى 0.8 ٪ 2 W / m · K.
تأثير في العالم الحقيقي: مصدر طاقة 30 واط على برنامج PCB FR4 المعدني يعمل بـ 15 ̊20 درجة مئوية أبرد من برنامج FR4 القياسي ولكن 10 ̊15 درجة مئوية أكثر دفئا من برنامج PCB الألومنيوم.
c.التطبيقات: مناسبة لأجهزة القوة المتوسطة (1050W) ، بما في ذلك:
أجهزة تحكم الشريط LED (10 ′′ 30W)
محولات متواصلة متواصلة صغيرة (15 ′′40 واط)
إلكترونيات الاستهلاك (مثل شاحنات أجهزة الكمبيوتر المحمولة).

مزايا PCB القائمة على الألومنيوم
الـ (بي سي بي) على أساس الألومنيوم تتفوق في السيناريوهات حيث الحرارة هي القلق الرئيسي:
1مقاومة الحرارة القصوى
تتحمل العمل المستمر في 150 درجة مئوية (مقارنة ب 130 درجة مئوية للقلب المعدني FR4) ، مما يجعلها مثالية ل:
إلكترونيات السيارات تحت الغطاء
أفران صناعية وأجهزة استشعار درجات الحرارة العالية

2إزالة الحرارة العالية
يقلل المسار الحراري المباشر من المكونات إلى قلب الألومنيوم من النقاط الساخنة ، مما يقلل من معدلات فشل المكونات بنسبة 40٪ إلى 60٪ في التطبيقات عالية الطاقة.

3- الصمود والموثوقية
قاعدة الألومنيوم تقاوم التشوه تحت الضغط الحراري (الشائعة في PCBs FR4 القياسية مع تقلبات درجة الحرارة الكبيرة).
مقاومة للتآكل في البيئات الرطبة (مع الطلاء المناسب) ، تتجاوز الأساسية المعدنية FR4 PCBs في التطبيقات البحرية أو الخارجية.

4التبريد البسيط
غالبًا ما يلغي الحاجة إلى مرافق حرارة منفصلة ، مما يقلل من حجم الجهاز الكلي والتكلفة. على سبيل المثال ، يمكن أن يبرد محرك LED بقوة 200W على لوحة PCB ذات قاعدة ألومنيوم بشكل سلبي ،في حين أن نفس التصميم على FR4 القلب المعدني يتطلب غسالة الحرارة.

مزايا FR4 PCBs في الأساس المعدني
تتألق أقراص FR4 المعدنية في تطبيقات الحرارة المتوسطة الحساسة للتكلفة:
1. تكلفة أقل
30 ٪ ٪ أرخص من أقراص PCB الألومنيومية ، مما يجعلها جذابة للأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية ذات الحجم الكبير (على سبيل المثال ، المصابيح LED ، مصادر الطاقة الصغيرة).

2التوافق مع التصنيع القياسي
استخدام نفس عمليات التصنيع مثل PCBs FR4 القياسية ، مما يقلل من تكاليف الإعداد وأوقات التوصيل.

3تصميم خفيف
الأساس المعدني الأرخص وطبقات FR4 تجعلها 20 ٪ 30٪ أخف من أقراص PCB ذات قاعدة الألومنيوم ، مثالية للأجهزة المحمولة (على سبيل المثال ، أضواء العمل LED التي تعمل بالبطارية).

4قوة ميكانيكية جيدة
تضيف طبقات FR4 صلابة ، مما يجعلها أكثر مقاومة للإنحناء من أقراص PCB ذات قاعدة ألومنيوم نقية ‬ مفيدة في البيئات المعرضة للتذبذب (على سبيل المثال ، المراوح ، المحركات الصغيرة).

القيود التي يجب مراعاتها
لا يوجد أي من الخيارين مثالية فهم نقاط ضعفهم أمر حاسم لنجاح التصميم.
القيود المفروضة على PCB القائمة على الألومنيوم
التكلفة الأعلى: 1.5 × 2 أضعاف سعر FR4 PCBs ، والتي يمكن أن تكون مكروحة للمنتجات منخفضة التكلفة ذات الحجم الكبير.
الوزن: أثقل من الأساس المعدني FR4 ، مما يجعلها أقل ملاءمة للأجهزة المحمولة.
قيود التصميم: القلب الألومنيوم الأكثر سماكة يحد من المرونة ؛ ليس مثاليًا للتطبيقات المنحنية أو المرنة.

القيود المفروضة على PCBات FR4
السقف الحراري: درجة حرارة العمل القصوى 130 درجة مئوية (مقارنة بـ 150 درجة مئوية لقاعدة الألومنيوم) تحد من الاستخدام في البيئات القاسية.
تراكم الحرارة: طبقات FR4 تبطئ نقل الحرارة ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات حرارة المكونات في تطبيقات > 50W.
التخصيص المحدود: أداء الحرارة أصعب من تصميمها من أقراص PCB ذات قاعدة الألومنيوم ، والتي يمكن أن تستخدم مواد كهربائية معطلة مختلفة لاحتياجات الحرارة المحددة.

التطبيقات المثالية لكل نوع
يضمن مطابقة PCB للتطبيق أداءً و تكلفة مثالية:

الـ (بي سي بي) الألومنيومية هي الأفضل لـ:
مصابيح LED ذات الطاقة العالية: مصابيح الشوارع وإضاءة الملاعب وأجهزة الإضاءة العالية (100W +).
إلكترونيات السيارات: وحدات تحكم المحرك (ECU) ، مصابيح LED، وأنظمة إدارة البطارية (BMS).
مصادر الطاقة الصناعية: 200W + محولات AC-DC ومحركات المحرك.
الإلكترونيات الخارجية: شاشات LED المقاومة للطقس ومحولات الطاقة الشمسية.

الـ FR4 الـ Metal Core PCBs هي الأفضل لـ:
مصابيح LED ذات الطاقة المتوسطة: الإضاءة السكنية، الشرائط LED، وإضاءة الإشارة (10 ٪ 50W).
الإلكترونيات الاستهلاكية: شاحنات أجهزة الكمبيوتر المحمولة، مصادر الطاقة لجهاز ألعاب الألعاب، ومضخات الصوت الصغيرة.
أجهزة محمولة: مصابيح العمل تعمل بالبطاريات والأدوات الكهربائية المحمولة.
الأجهزة الصناعية الحساسة للتكلفة: أجهزة استشعار منخفضة الطاقة ومراقبي المحركات الصغيرة (10 30W).

كيف تختار بينهما
اتبع إطار القرار هذا لاختيار PCB المناسب:
1.حساب تشتيت الطاقة
< 50 واط: توفر أقراص PCB ذات نواة معدنية FR4 أداءً حرارياً كافياً بتكلفة أقل.
50 واط: الألومنيوم أساس PCBs يستحق الاستثمار لمنع ارتفاع درجة الحرارة.

2تحقق من درجة حرارة العمل
إذا كان الجهاز سيتم تشغيله فوق 130 درجة مئوية (على سبيل المثال، بالقرب من المحركات أو الأفران) ، اختر قاعدة الألومنيوم.
عند درجة حرارة 130 درجة مئوية أو أقل ، فإن قلب معدني FR4 كاف.

3تقييم التكلفة مقابل العمر
المنتجات ذات العمر القصير (على سبيل المثال، أجهزة الإلكترونيات الاستهلاكية المستخدمة لمرة واحدة): القلب المعدني FR4 يقلل من التكاليف الأولية.
منتجات طويلة العمر (على سبيل المثال، المعدات الصناعية مع ضمانات تزيد عن 5 سنوات): أساس الألومنيوم PCBs خفض تكاليف الاستبدال عن طريق الحد من الفشل.

4. النظر في عامل الشكل
الأجهزة المحمولة / الخفيفة الوزن: الوزن الخفيف للقلب المعدني FR4 هو ميزة.
المنشآت الثابتة: تسرب الحرارة المتفوق لأساس الألومنيوم يبرر الوزن الإضافي.

اعتبارات التصنيع
تختلف عمليات الإنتاج قليلاً، مما يؤثر على أوقات التنفيذ والتكاليف:

تصنيع أقراص PCB ذات قاعدة الألومنيوم
اختيار الديليكتريك: اختر الايبوكسيات المملوءة بالسيراميك (13 W / m · K) للاستخدام العام أو الديليكتريكات القائمة على السيليكون (35 W / m · K) للحرارة الشديدة.
سمك الألومنيوم: تتحسن القلبات الأكثر سمكاً (2 ′′ 3 ملم) في إبعاد الحرارة ولكنها تزيد من الوزن والتكلفة.
وزن النحاس: استخدم 2 ′′ 3 أوقية من النحاس لمسارات التيار العالي (الشائعة في مصادر الطاقة).

تصنيع أقراص الكربونية من الأساس المعدني
مادة النواة المعدنية: الألومنيوم أرخص من النحاس؛ وتوفر نواة النحاس توصيلًا حراريًا أفضل ولكنها تكلف 20٪ إلى 30٪ أكثر.
سمك طبقة FR4: 0.1 ∼ 0.2 ملم الطبقات توازن الصلابة والأداء الحراري.
دقة الحفر: تتطلب طبقات FR4 حفرًا دقيقًا لتجنب تلف النواة المعدنية ، مما يزيد من تعقيد الإنتاج.

الأسئلة الشائعة
السؤال: هل يمكن استخدام أقراص PCB ذات قاعدة ألومنيوم مع تصاميم مرنة؟
ج: لا، لأن قلب الألومنيوم السميك يجعلها صلبة. بالنسبة للتطبيقات المرنة عالية الحرارة، استخدم أقراص PCB ذات قلب معدني مرن مع قلب نحاسي رقيق.

س: هل الـ FR4 PCBs المتعددة الأساسية متوافقة مع RoHS؟
ج: نعم، مثل PCB القائمة على الألومنيوم، فإنها تستخدم مواد خالية من الرصاص ومطابقة مع RoHS و REACH وغيرها من المعايير البيئية.

س: ما مدى تأثير الموصلات الحرارية على الأداء؟
ج: بشكل ملحوظ. سيقوم بطاقة PCB ذات قاعدة ألومنيوم 2 W/m·K بتشغيل مكون 100W باردًا بنسبة 15 درجة مئوية من بطاقة PCB ذات قلب معدني FR4 1 W/m·K.

السؤال: هل يمكنني إضافة مكنسات حرارة إلى أقراص PCB من FR4 لتناسب أداء الألومنيوم؟
ج: نعم، ولكن المستنقعات الحرارية تضيف التكلفة والحجم والوزن، وغالبا ما تمنع مزايا FR4 الأساس المعدني. في تطبيقات > 50W، قاعدة الألومنيوم هي أكثر كفاءة.

س: هل تتطلب أقراص PCB ذات قاعدة الألومنيوم عمليات تجميع خاصة؟
ج: لا يستخدمون تقنيات التجميع القياسية SMT وتقنيات التجميع من خلال الثقب ، على الرغم من أنه يجب توخي الحذر لتجنب ثني جوهر الألومنيوم الصلب.

الاستنتاج
كل من PCB القاعدي من الألومنيوم و FR4 PCB القاعدي المعدني يحل التحديات الحرارية ، ولكن نقاط قوتهما تلبي احتياجات مختلفة.تطبيقات درجات الحرارة القصوىفي الوقت نفسه، فإن الأقراص المنسوجة بالفلوروفينيك من FR4توفير أرضية وسطية مناسبة للميزانية لأجهزة القوة المتوسطة حيث تكون التكلفة والوزن أكثر أهمية من الأداء الحراري النهائي.
من خلال مواءمة اختيارك مع متطلبات الطاقة، ظروف التشغيل، والميزانية، سوف تضمن أن PCB الخاص بك لا يعمل فقط ولكن يدوم. في النهاية،الخيار الأفضل هو الخيار الذي يوازن بين الأداء والعملية لمشروعك المحدد.