Теплопроводность алюминиевых печатных плат: объяснение для светодиодов и силовой электроники

Краткий ответ:Тепловые характеристики алюминиевой печатной платы определяются не только самой алюминиевой пластиной. В большинстве конструкций основным узким местом является теплопроводящий диэлектрик между медной схемой и металлическим основанием, а площадь меди, толщина диэлектрика, расположение компонентов, интерфейсный материал и внешний радиатор формируют тепловой путь.

Инженеры часто сравнивают алюминиевые платы по одному показателю теплопроводности, но этот показатель может вводить в заблуждение, если рассматривать его в отрыве от реальной структуры платы. Плата с более высоким номиналом диэлектрика все равно может работать горячее, если диэлектрик толстый, площадь растекания меди ограничена, контактная площадка компонента плохо соединена с тепловым путем или интерфейс плата–радиатор слабый.

В этом руководстве объясняется, как интерпретировать теплопроводность алюминиевой печатной платы, как тепло распространяется в плате с металлическим основанием и какую информацию OEM-производитель должен предоставить до выпуска прототипа.

Что означает теплопроводность алюминиевой печатной платы?

Теплопроводность описывает, насколько легко материал проводит тепло, и обычно выражается в Вт/(м·К). Однако в алюминиевой печатной плате несколько материалов расположены последовательно, поэтому теплопроводность одного слоя не равна тепловым характеристикам всей платы.

Алюминиевое основание обладает высокой теплопроводностью по сравнению с органическим ламинатом, но тепло, выделяемое светодиодом, MOSFET, выпрямителем или силовой ИС, сначала должно покинуть контактную площадку компонента, распространиться по меди, пройти через теплопроводящий диэлектрик, попасть в алюминиевое основание и затем перейти в радиатор, корпус или окружающий воздух. Слой с наибольшим тепловым сопротивлением может определять рост температуры.

Поэтому более полезный инженерный вопрос звучит не только «Какова теплопроводность?», но и «Каково полное тепловое сопротивление от перехода компонента до конечной охлаждающей поверхности?»

Как тепло проходит через структуру алюминиевой печатной платы

Тепловой путь типичной однослойной платы с металлическим основанием выглядит так: переход компонента → паяное соединение → медная цепь → теплопроводящий диэлектрик → алюминиевое основание → теплопроводящий интерфейсный материал → радиатор или корпус.

Стандартная структура профессиональной алюминиевой печатной платы включает медный токопроводящий слой, теплопроводящий изоляционный слой и алюминиевое основание. Медный слой распределяет тепло в стороны, теплопроводящий диэлектрик обеспечивает электрическую изоляцию, пропуская тепло, а алюминиевое основание распределяет тепло по большей площади.

Для светодиодных модулей плата — лишь одна часть системы. Механический контакт между платой и корпусом светильника, усилие винтов, плоскостность поверхности, толщина термопасты или прокладки и воздушный поток — все это влияет на конечную температуру перехода. WYD’sстраница алюминиевых печатных платпредоставляет полезную отправную точку для изучения доступных структур и производственных возможностей.

Пять параметров, определяющих реальные тепловые характеристики

Следующие переменные следует оценивать вместе, поскольку изменение одного параметра может сместить тепловое узкое место в другую часть конструкции.

Чем различаются требования для светодиодного освещения и силовой электроники

Светодиодное освещение обычно требует стабильного распределения температуры по множеству источников света, тогда как в силовой электронике тепло часто концентрируется вокруг меньшего числа компонентов с большими потерями.

В модуле освещения инженерам следует учитывать расстояние между светодиодами, растекание меди, целевые показатели сохранения светового потока, температуру окружающей среды, корпус светильника и то, работает ли плата непрерывно вблизи максимальной мощности. WYDрешения для печатных плат освещениястраница показывает, как алюминиевая печатная плата для светодиодного освещения может быть интегрирована в более широкую тепловую конструкцию, а не рассматриваться как изолированная часть.

В источниках питания, драйверах двигателей, преобразователях и инверторных модулях необходимо также учитывать большие токи, коммутационные потери, пути утечки и воздушные зазоры, локальную плотность меди и тепло, выделяемое магнитными компонентами или полупроводниками. Для таких проектоврешение для печатных плат энергетики и источников питанияследует рассматривать вместе со структурой платы.

Как задать требования к алюминиевой печатной плате, не полагаясь на одно число

Надежный RFQ определяет тепловую цель, требования к электрической изоляции, механические ограничения и метод испытаний, а не только общий показатель теплопроводности.

Предоставьте карту мощности компонентов или хотя бы максимальное рассеивание самых горячих устройств. Укажите размер платы, толщину меди, количество слоев, предпочтительную толщину диэлектрика, минимальное напряжение изоляции, толщину алюминия, финишное покрытие, цвет паяльной маски, расположение монтажных отверстий и предполагаемый интерфейс с радиатором.

Также полезно указать максимальную температуру окружающей среды, допустимую температуру компонента или платы, способ охлаждения, рабочий цикл и то, будет ли изделие проверяться термопарой, инфракрасной съемкой или оценкой температуры перехода.

· Определите источник тепла: тип компонента, количество, потери мощности, геометрию контактных площадок и рабочий цикл.

· Определите граничные условия охлаждения: естественная конвекция, принудительное воздушное охлаждение, теплопередача через корпус, охлаждающая плита или внешний радиатор.

· Определите электрическую изоляцию: рабочее напряжение, требования к устойчивости к перенапряжениям, целевые значения путей утечки и воздушных зазоров.

· Определите механические ограничения: толщину платы, плоскостность, монтажное давление, допуск на контур и вибрацию.

· Запросите документально подтвержденную структуру платы и марку материала, а не общее описание «высокая теплопроводность».

· Проверьте собранный тепловой путь на прототипе при наихудших условиях окружающей среды и нагрузки.

Распространенные ошибки теплового проектирования, которых следует избегать

Самая распространенная ошибка — сравнение теплопроводности алюминия как материала с теплопроводностью всей структуры печатной платы. Еще одна ошибка — выбор самого тонкого диэлектрика без проверки электрической прочности, технологического запаса, топографии поверхности и долговременной надежности.

Инженерам также не следует считать, что более толстое алюминиевое основание всегда снижает температуру самого горячего компонента. Когда доминирует теплопроводящий диэлектрик или интерфейсный материал, увеличение толщины основания может добавить стоимость и вес с ограниченной пользой. Аналогично, большой радиатор не может компенсировать плохую паяную площадку, узкое медное соединение или воздушную прослойку на монтажном интерфейсе.

Компетентныйпроизводитель алюминиевых печатных платдолжен рассматривать данные Gerber, структуру платы, информацию о мощности компонентов и механическую сборку вместе. WYD PCB может поддержать сравнение вариантов диэлектрика и основания на прототипе до фиксации производственной структуры.

Часто задаваемые вопросы

Всегда ли более высокая теплопроводность алюминиевой печатной платы лучше?

Не обязательно. Значение необходимо рассматривать вместе с толщиной диэлектрика, растеканием меди, расположением компонентов, контактом платы с радиатором и способом охлаждения системы. Сбалансированная структура может превзойти материал с более высоким номиналом, использованный в слабой сборке.

В чем разница между теплопроводностью и тепловым сопротивлением?

Теплопроводность — это свойство материала. Тепловое сопротивление описывает повышение температуры, вызванное определенным тепловым потоком через слой или всю сборку, поэтому оно включает теплопроводность материала, толщину, площадь и интерфейсы.

Улучшает ли более толстое алюминиевое основание охлаждение?

Оно может улучшить боковое распределение тепла и механическую жесткость, особенно на больших платах, но может оказать незначительное влияние, если основным узким местом является диэлектрик или внешний интерфейс.

Какая информация нужна для выбора диэлектрического слоя?

Предоставьте рассеиваемую мощность, площадь платы, целевое повышение температуры, напряжение изоляции, рисунок меди, температуру окружающей среды, способ охлаждения и механические ограничения. Затем марку и толщину материала можно выбрать совместно.

Может ли алюминиевая печатная плата заменить внешний радиатор?

Иногда металлическое основание и корпус обеспечивают достаточное охлаждение при умеренной плотности мощности, но мощные сборки обычно все же требуют определенного пути в радиатор, корпус или охлаждающую плиту.

Как следует проверять тепловую конструкцию алюминиевой печатной платы?

Испытайте полностью собранный прототип при наихудшем входном напряжении, нагрузке, температуре окружающей среды и воздушном потоке. Измерьте температуры критических компонентов и платы после достижения теплового равновесия и сравните их с проектными ограничениями.