الألومنيوم أساس PCBs مقابل FR4: متى لاختيار تكنولوجيا الأساس المعدني

في عالم ألواح الدوائر المطبوعة ، تهيمن تقنيتان: أقراص PCB التقليدية FR4 وأقراص PCB ذات قاعدة الألومنيوم (القلب المعدني).ظهرت PCBs القائمة على الألومنيوم (MCPCBs) كحلول حاسمة للطاقة العالية، التطبيقات الحساسة للحرارة. الاختيار بينهم ليس فقط حول التكلفة.إنه يتعلق بمطابقة PCB لمطالب الجهاز النهائي. من الإضاءة LED إلى محولات السيارات،اختيار الركيزة الخاطئة يمكن أن يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة، أو المشاريع الفاشلة. فيما يلي تفاصيل مفصلة عن كيفية مقارنة هذه التقنيات ومتى اختيار واحدة على الأخرى.

أهم المعلومات
أ.تتفوق أقراص PCB ذات القاعدة الألومنيومية في إدارة الحرارة، وتبديد الحرارة بسرعة 3 × 10 مرات أسرع من FR4، مما يجعلها مثالية للمكونات ذات الطاقة العالية (10W +).
b.FR4 لا يزال فعالا من حيث التكلفة لتطبيقات الطاقة المنخفضة (≤5W) والإلكترونيات العامة، مع توفر أفضل وتكاليف إنتاج أقل.
c.تقلل أقراص الألومنيوم من درجة حرارة المكونات بمقدار 20 ′′50 درجة مئوية في أنظمة عالية الطاقة ، مما يزيد من عمرها بمقدار 2 ′′3 أضعاف مقارنة بـ FR4.
يعتمد الاختيار على كثافة الطاقة، وبيئة التشغيل (درجة الحرارة/الاهتزاز) ، وقيود التكلفة: الألومنيوم للأجهزة التي تتعرض لضغوط حرارية، FR4 للمشاريع ذات الطاقة المنخفضة والحساسة للميزانية.

ما هي PCBs القائمة على الألومنيوم و FR4 PCBs؟

الـ PCBs القائمة على الألومنيوم (MCPCBs)
تتضمن أقراص PCB الألومنيومية (وتسمى أيضًا أقراص PCB ذات النواة المعدنية أو MCPCBs) بنية طبقات مبنية حول رصيف الألومنيوم:
a.المركز الألومنيوم: قاعدة من الألومنيوم سميكة (0.3 ∼3 ملم) تعمل كمساحة حرارة ، وتستقطب الحرارة من المكونات.
طبقة المعالجة الكهربائية: طبقة عازلة رقيقة (25μm150μm) (عادة الايبوكسي أو البوليميد) التي تقود الحرارة مع حجب الكهرباء.
طبقة الدوائر النحاسية: 1 ¢ 3 أوقية آثار النحاس للقيادة الكهربائية، ملتصقة بالطبقة الكهربائية.
هذا التصميم يعطي الأولوية للقيادة الحرارية، مما يجعل PCBs الألومنيوم أكثر فعالية بكثير في تبديد الحرارة من الركائز التقليدية.

الـ FR4 PCBs
FR4 هو طبقة إيبوكسي معززة بالألياف الزجاجية ، وهو الركيزة PCB الأكثر شيوعًا في جميع أنحاء العالم. تتضمن بنيتها:
a.FR4 Core: مركب جامد من الألياف الزجاجية والإيبوكسي (0.4 ∼3.2 ملم سميكة) يوفر الاستقرار الميكانيكي.
طبقات النحاس: 4 أونصات من النحاس مربوطة بالصمغ
قناع اللحام: طبقة واقية لعزل الآثار ومنع الدوائر القصيرة.
يتم تقدير FR4 من أجل تكلفته المنخفضة ، وصلبته ، وتوافقه مع عمليات التصنيع القياسية ، لكنه يحتوي على توصيل حراري ضعيف.

مقارنة رأس لرأس: قاعدة الألومنيوم مقابل FR4

لماذا التوصيل الحراري مهم

التوصيل الحراري القدرة على نقل الحرارة هي الفرق المحدد بين أساس الألومنيوم و FR4 PCBs.
يمكن أن يصل LED 50W المثبت على FR4 PCB إلى 120 درجة مئوية عند التقاطع ، مما يقلل من العمر إلى 20،000 ساعة.
يظل نفس مصباح LED على PCB أساس الألومنيوم في 70 درجة مئوية ، مما يزيد من عمرها إلى 50،000 + ساعة.
في تطبيقات السيارات، فإن عاكس الكهرباء الكهربائية الذي ينتج 100 كيلوواط من الطاقة سوف يزيد من درجة حرارة FR4، مما يسبب إغلاق أو مخاطر الحريق.الحفاظ على المكونات ضمن نطاقات التشغيل الآمنة (≤100 درجة مئوية).

متى تختار PCB القائمة على الألومنيوم
تعتبر أقراص PCB ذات القاعدة الألومنيومية أكثر تكلفة في التطبيقات التي تؤثر فيها إدارة الحرارة بشكل مباشر على الأداء أو السلامة:

1إضاءة LED عالية الطاقة
مصابيح LED (وخاصة الإصدارات عالية الوضوح) تحول 20-30٪ فقط من الطاقة إلى ضوء، والباقي يصبح حرارة.
خفض درجة حرارة تقاطع LED بنسبة 40 ∼ 60 درجة مئوية مقارنة بـ FR4.
تمديد عمر LED من 20،000 ساعة إلى 50،000 + ساعة في مصابيح الشوارع ، وأجهزة الاستاد ، وأضواء السيارات.
تمكين تصاميم أصغر وأكثر تكثيفاً عن طريق القضاء على مخزونات الحرارة الخارجية الضخمة.

2إلكترونيات السيارات
السيارات تتطلب PCBs التي تتحمل درجات الحرارة الشديدة والاهتزاز:
عوائل الكهرباء والتحكم في المحركات: هذه الأنظمة 600 فولت + تولد حرارة ضخمة. تحتفظ أقراص الألومنيوم PCBs IGBTs (الترانزستورات ثنائية القطب المعزولة) تحت 100 درجة مئوية ، مما يمنع الهروب الحراري.
أجهزة استشعار ADAS: تتطلب وحدات الرادار و LiDAR في المركبات المستقلة درجات حرارة ثابتة لقراءات دقيقة. تخفض أقراص الألومنيوم PCB الانجراف الحراري بنسبة 70٪ مقارنة بـ FR4.
مصابيح الأمام LED: تتحمل الحرارة تحت الغطاء (120 درجة مئوية +) والاهتزاز ، مما يضمن أداء ثابت في التضاريس الخاشعة.

3نظم الطاقة الصناعية
تعتمد معدات المصنع مثل محركات المحركات ومصادر الطاقة ومراقبي اللحام على أقراص الألومنيوم:
يعمل جهاز تحكم صناعي من 200A على PCB من الألومنيوم بـ 30 درجة مئوية أبرد من FR4 ، مما يقلل من وقت التوقف من التسخين الزائد بنسبة 80 ٪.
مقاومة الاهتزازات (20G تحمل الصدمات) تجعلها مثالية للآلات في مصانع التصنيع.

4نظم الطاقة المتجددة
المحولات الشمسية ومراقبي توربينات الرياح تتعامل مع التيارات العالية، مما يجعل إدارة الحرارة حاسمة:
تحسن أقراص الألومنيوم في محولات الطاقة الشمسية كفاءة تحويل الطاقة بنسبة 3 إلى 5٪ من خلال إبقاء المكونات باردة.
فهي تتحمل تقلبات درجات الحرارة الخارجية (-40 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية) دون فقدان الأداء، على عكس FR4، الذي يتدهور في البرد الشديد.

متى تتمسك بـ FR4 PCB
يظل FR4 الخيار الأفضل في التطبيقات التي تكون فيها الحرارة والطاقة ضئيلة أو تكون التكلفة هي المحرك الرئيسي:

1الإلكترونيات الاستهلاكية منخفضة الطاقة
الأجهزة ذات المكونات الصغيرة والطاقة الحرارية المنخفضة تزدهر على FR4:
الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية: المعالجات والأجهزة الاستشعارية تستهلك <5 واط، مما يولد حرارة قليلة. صلابة FR4 ‬ تحمي المكونات الحساسة.
الأجهزة القابلة للارتداء: تستخدم الساعات الذكية و أجهزة تتبع اللياقة البدنية رقائق ذات طاقة منخفضة (<2 واط) حيث الحرارة ليست مشكلة. تبقي تكلفة FR4 منخفضة أسعار الأجهزة تنافسية.
الأجهزة المنزلية: لوحات تحكم الميكروويف وألواح الدوائر التلفزيونية تعمل عند < 10 واط، مما يجعل القيود الحرارية لـ FR4 غير ذات صلة.

2أجهزة استشعار و أجهزة تحكم منخفضة
أجهزة الاستشعار وأنظمة الجهد المنخفض لا تؤثر على الحدود الحرارية لـ FR4
أجهزة استشعار درجة الحرارة / الرطوبة: تستهلك < 1 واط ، دون خطر الإفراط في التسخين على FR4.
أتمتة المباني: تعمل الحرارة و أجهزة التحكم في الإضاءة عند 512 فولت، مما يجعل ميزة تكلفة FR4 حاسمة لتركيبات واسعة النطاق.

3إنتاج ذو حجم كبير وذو تكلفة حسّاسة
بالنسبة للمصنعين الذين ينتجون أكثر من 100000 وحدة، فإن تكلفة FR4 أقل تضيف إلى:
مكبر صوت ذكي مع FR4 PCB تكلفة
أقل من وحدة واحدة من الألومنيوم على أساس PCB.للمليون وحدة، وهذا يحفظ
23 مليون دولار
توفر FR4 ٪ على نطاق واسع وعمليات التصنيع الناضجة تقلل من أوقات التوصيل بمقدار أسبوعين مقارنة بـ PCB الألومنيوم.

الأداء في العالم الحقيقي: دراسات الحالة

1إصلاح مصابيح الشوارع
استبدلت مدينة مصابيح الشوارع LED القائمة على FR4 بنسخ ألومنيومية:
النتيجة: انخفضت درجة حرارة تقاطع LED من 110 درجة مئوية إلى 75 درجة مئوية.
التأثير: زيادة العمر من 3 سنوات إلى 7 سنوات، خفض تكاليف الصيانة بنسبة 60٪.

2نظام إدارة بطارية الكهرباء
شركة صناعة السيارات انتقلت من FR4 إلى PCBs الألومنيوم في وحدات BMS:
النتيجة: انخفضت حالات الفشل المرتبطة بالحرارة بنسبة 70٪ في اختبار درجات الحرارة القصوى (من -40 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية).
التأثير: تم تمديد عمر بطارية البطارية بـ 2 سنوات، مما يحسن ثقة المستهلك.

3إنتاج جهاز التوجيه
شركة تكنولوجيا اختارت FR4 لطرقها منخفضة الطاقة:
النتيجة: لا توجد مشكلات في الأداء (الراوتر يستهلك 8W max).
التأثير: تم توفير 0.75 لكل وحدة، ما يصل إلى 750،000 في دورة مليون وحدة.

العوامل الرئيسية التي يجب مراعاتها عند الاختيار
الاختيار بين قاعدة الألومنيوم و FR4 PCBs يعتمد على ثلاثة أسئلة:

1ما هي كثافة الطاقة؟
طاقة عالية (> 10 واط): PCBs الألومنيوم القاعدة منع الإفراط في الحرارة.
طاقة منخفضة (<5 واط): FR4 كافية وأرخص.

2ما هي بيئة التشغيل؟
درجات حرارة/اهتزازات متطرفة: تتحمل أقراص PCB ذات قاعدة الألومنيوم ظروفًا قاسية.
بيئات خاضعة للسيطرة (20-30 درجة مئوية): يعمل FR4 بشكل جيد ويوفّر التكاليف.

3ما هي الميزانية والحجم؟
حجم منخفض / موثوقية عالية: أساس الألومنيوم يبرر ارتفاع التكاليف.
كمية عالية / تكلفة منخفضة: وفورات الحجم في FR4

أفكار خاطئة شائعة
1الخرافة: الألبومية الأساسية هي دائما أفضل من أجل المتانة.
الحقيقة: صلابة FR4 ‬ تجعلها أكثر مقاومة للآثار المادية (مثل السقوط) في أجهزة المستهلك.
2الخرافة: لا يمكن لـ FR4 تحمل أي حرارة.
الحقيقة: يعمل FR4 لأجهزة ذات طاقة منخفضة؛ فقط التطبيقات ذات الطاقة العالية تحتاج إلى الألومنيوم.
3الخرافة: الـ PCB القائمة على الألومنيوم مكلفة جداً للمشاريع الصغيرة.
الحقيقة: بالنسبة للنماذج الأولية أو التصاميم ذات الكمية المنخفضة والقوة العالية (على سبيل المثال، 100 وحدة) ، فإن فوائد الأداء تفوق التكلفة.

أسئلة شائعة
س: هل يمكن لـ PCB القائمة على الألومنيوم أن تحل محل FR4 في جميع التطبيقات؟
ج: لا. بالنسبة إلى التصاميم ذات الطاقة المنخفضة والحساسة للتكلفة ، فإن FR4 أكثر عملية. لا تكون أقراص PCB ذات القاعدة الألومنيومية ضرورية إلا عندما تكون الحرارة عاملاً حاسماً.

س: هل الـ PCB القائمة على الألومنيوم متوافقة مع عمليات التصنيع القياسية؟
ج: نعم. يستخدمون نفس معدات الحفر والحفر واللحام مثل FR4، على الرغم من أن بعض المتاجر تتقاضى علاوة للتعامل مع النوى المعدنية.

س: ما هي القوة القصوى التي يمكن لـ FR4 PCB التعامل معها؟
ج: يعمل FR4 على مكونات تصل إلى 10W إذا تمت إضافة أجهزة غسيل الحرارة. بعد ذلك ، يوصى بشرائط PCB ذات قاعدة الألومنيوم لتجنب الإفراط في الحرارة.

س: هل تتطلب أقراص PCB ذات قاعدة الألومنيوم اعتبارات تصميم خاصة؟
الجواب: نعم، إنّ موصلاتها الحرارية تعني أنّ الأدلة يمكن أن تكون أضيق (لأنّ الحرارة تنتشر بشكل أفضل) ، وتتزاوج بشكل جيد مع أجهزة غسيل الحرارة للحصول على طاقة فائقة.

س: هل هناك طريق وسط بين قاعدة الألومنيوم و FR4؟
ج: نعم. توفر أقراص PCB على أساس النحاس توصيلًا حراريًا أفضل من الألومنيوم (20 30 W / m · K) ولكنها تكلف أكثر بـ 2 3 مرات ، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الجوية أو العسكرية.

الاستنتاج
تعمل أقراص PCB ذات قاعدة الألومنيوم و FR4 بأدوار متميزة في الإلكترونيات. تعد أقراص PCB ذات قاعدة الألومنيوم الخيار الواضح لتطبيقات عالية الطاقة أو حساسة للحرارة أو البيئة القاسية ،عندما تكون موصلاتها الحرارية واستدامتها تبرر ارتفاع التكاليف. يظل FR4 لا يضاهى في التصاميم ذات الطاقة المنخفضة أو الحساسة للتكلفة أو الحجم الكبير ، حيث تبرز قدرته على تحمل التكاليف وموثوقيتها. من خلال مطابقة PCB لاحتياجات الطاقة والبيئة الخاصة بجهازك ،سوف تحسن الأداء، خفض التكاليف، وضمان الموثوقية على المدى الطويل.