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Por qué el calor daña los equipos electrónicos y cómo lo solucionan las PCB de aluminio
Qué es realmente una PCB de aluminio…
Una PCB de aluminio es una placa de circuito impreso con base metálica, generalmente de aluminio y a veces de cobre, unida a la capa del circuito de cobre mediante un dieléctrico delgado que conduce el calor. Tiene una sola razón de ser. Cada vatio que disipa un componente debe salir de la placa de circuito impreso antes de que la temperatura de su unión supere el límite máximo. En una placa de FR-4 estándar, no puede hacerlo. (Antecedentes: literatura del IEEE sobre gestión térmica)
Aquí es donde fallan muchos diseños.
Un LED de potencia de 3 W o un controlador MOSFET se coloca sobre FR-4, cuyo laminado disipa el calor a unos 0.25 W/mK. Como el calor no tiene por dónde salir, regresa al chip. Esto eleva su temperatura y reduce la corriente de salida, la intensidad luminosa y la vida útil; también afecta la vida útil y los voltajes de los componentes electrolíticos y semiconductores. Para combatir el aumento de temperatura, los equipos recurren a disipadores, ventiladores y vías térmicas, lo que añade complejidad, peso y posibles puntos de falla.
Las cuatro capas que permiten disipar el calor
La capacidad de una placa de circuito impreso de aluminio para evacuar el calor que una placa de FR4 retiene depende de su apilamiento de capas. A diferencia de una placa de circuito impreso convencional fabricada sobre fibra de vidrio tejida, una PCB de aluminio tiene una estructura de cuatro capas, cada una con una función en la ruta térmica:
01
Capa del circuito de lámina de cobre
la lámina de cobre con el patrón de su circuito, normalmente de 1–6 oz. Aquí, el espesor del cobre determina la capacidad de conducción de corriente, igual que en cualquier placa de circuito impreso.
02
Capa dieléctrica térmicamente conductora (aislante)
un polímero delgado con carga cerámica que proporciona aislamiento eléctrico y, a la vez, conduce el calor hacia la base a 1.0–5.0 W/m·K. Esta capa distingue una buena placa de circuito impreso con núcleo metálico de una mediocre.
03
Capa base (sustrato) de aluminio
el sustrato de aluminio, generalmente de aleación 5052 o 6061, que distribuye el calor y constituye la base estructural de la placa de circuito impreso.
04
Cara posterior / acabado superficial
el tratamiento superficial y el acabado opcional de la base que protegen el sustrato de aluminio durante el ensamble y el uso.
Capacidades de PCBark para PCB de aluminio y núcleo metálico (estándar → máximo)
La mayoría de las páginas de fabricantes ofrecen una sola columna de especificaciones «típicas» para las placas de circuito impreso de aluminio, por lo que usted no sabe si un diseño que se acerca a los límites entra en el rango. Nosotros publicamos tres. La siguiente matriz de capacidades de PCB de aluminio en 3 niveles muestra nuestro rango de producción estándar, nuestro rango de mejores capacidades para trabajos exigentes de disipación térmica y el máximo absoluto que hemos calificado, para que un ingeniero pueda elegir el nivel adecuado para su placa de circuito impreso antes de enviar un solo archivo Gerber.
REVISIÓN DFM // APROBADA
Francamente, gran parte de esa tabla es exageración, salvo por dos cifras. La conductividad dieléctrica máxima de 5.0 W/mK está en el extremo superior de lo que alcanzan los laminados térmicos de producción. Las solicitudes de patente independientes sobre dieléctricos IMS, incluida la patente estadounidense n.º 9,551,082 B2, describen capas dieléctricas cerámicas de más de 5 WmK y una rigidez dieléctrica superior a 50 kVmm; así se sabe que es un límite material difícil de alcanzar y no una frase publicitaria. El máximo de 6 capas marca una gran diferencia porque la mayoría de los fabricantes de PCB de aluminio no pasan de una o dos capas; con un núcleo metálico multicapa, podrá distribuir toda la lógica de potencia y control en una sola placa de circuito impreso con gestión térmica. (Límite dieléctrico verificado con la patente USPTO US 9,551,082 B2)
| Parámetro | Capacidad estándar | Mejor capacidad | Capacidad máxima |
|---|---|---|---|
| Tipo de producto | PCB de aluminio de una y dos caras | PCB de aluminio de alta conductividad para LED y potencia | PCB multicapa de aluminio, con base de cobre o núcleo metálico híbrido |
| Capas | 1–2 | 1–4 | 6 |
| Espesor de la placa de circuito impreso | 1.0–2.0 mm | 0.8–3.0 mm | 0.6–5.0 mm |
| Espesor de la base de aluminio | 0.8–1.5 mm | 0.6–3.0 mm | 5.0 mm |
| Peso del cobre | 1–2 oz | 1–4 oz | 6 oz |
| Conductividad térmica | 1.0–2.0 W/m·K | 2.0–3.0 W/m·K | 5.0 W/m·K |
| Ancho mínimo de pista / separación mínima entre pistas | 0.15 / 0.15 mm | 0.10 / 0.10 mm | 0.075 / 0.075 mm |
| Diámetro mínimo de perforación | 0.30 mm | 0.20 mm | 0.15 mm |
| Espesor del cobre en los orificios | ≥20 µm | ≥25 µm | ≥35 µm |
| Acabado superficial | HASL-LF, OSP, ENIG | ENIG, HASL-LF, OSP | ENIG, plata por inmersión, estaño por inmersión |
| Máscara antisoldante | Blanca, negra, verde | Blanca, negra, negra mate, azul | Colores personalizados |
| Corte del contorno | Fresado CNC, corte en V | CNC, corte en V, troquelado | Contornos irregulares y complejos |
| Tamaño máximo de la placa de circuito impreso | 400 × 500 mm (hasta 1500 × 400) | 500 × 600 mm | 600 × 1200 mm |
| Tensión soportada | 1–2 KV | 2–4 KV | 6 KV |
| Aplicaciones | Iluminación LED, módulos de potencia | Iluminación automotriz, control industrial, electrónica de potencia | Módulos térmicos de alta potencia, equipos de nuevas energías |
Comparación de rendimiento: PCB de aluminio, FR-4 y núcleo de cobre
Lo que puede resultar contraintuitivo: una mayor conductividad del metal base no significa automáticamente que la placa de circuito impreso trabaje a menor temperatura.
El cobre conduce el calor a ~386 W/m·K y el aluminio a 138–167 W/m·K, pero el verdadero cuello de botella térmico es la delgada capa dieléctrica entre el circuito de cobre y la base metálica: su conductividad es de apenas 1–8 W/m·K y determina gran parte de la resistencia térmica total. Elegir una placa de circuito impreso solo por el metal de la base es el error más frecuente que vemos en los diseños que recibimos.
Por eso debe comparar cada apilamiento de capas completo según la resistencia térmica entre la unión del componente y el disipador, en lugar de fijarse únicamente en si la base es de aluminio o cobre. Como muestra la siguiente comparación de 8 métricas entre aluminio, FR-4 y núcleo de cobre, se usan valores medidos y publicados, no simples categorías de alto, medio o bajo. (Base dieléctrica del núcleo metálico: USPTO US 9,265,160 B2)
| Métrica | FR-4 (estándar) | MCPCB de aluminio | MCPCB con núcleo de cobre |
|---|---|---|---|
| Conductividad del laminado / dieléctrico | 0.25 W/m·K | 1.0–5.0 W/m·K (dieléctrico) | 1.0–5.0 W/m·K (dieléctrico) |
| Conductividad de la base metálica | — | 138–167 W/m·K (5052 / 6061) | ~386 W/m·K (C110) |
| Resistencia térmica RθJA (prueba LED de TI) | 61.56 °C/W | 39.1 °C/W | aún menor |
| Transferencia de calor frente a FR-4 | 1× como referencia | ~8–9× más rápida | la más alta |
| Costo relativo de la placa sin ensamblar | 1× | 2–4× | 4–8× |
| Tolerancia térmica del material base | Tg 130–140 °C | hasta ~400 °C | hasta ~400 °C |
| Flexibilidad en el número de capas | 1–20+ (multicapa) | 1–6 capas | 1–2 habitualmente |
| Aplicación más adecuada | Lógica general / señales | LED, potencia, gestión térmica automotriz | Potencia extremadamente alta, RF |
Nota de ingeniería sobre la tabla
Para la mayoría de las placas de circuito impreso de señales y lógica, FR-4 será la opción habitual.
En situaciones en las que solo basta el calor de un componente para limitar la temperatura de la unión —y nada más—, el núcleo metálico cuesta de 2 a 4 veces más, pero justifica su precio, por ejemplo, en aplicaciones LED y de potencia cuando la brecha thevezane no puede salvarse con cobre dentro de los rangos de costo razonables de 2.0-3.0 W/mK para el dieléctrico de una MCPCB de aluminio, mientras que el núcleo de cobre, con el calor que aún permanece en la placa, se reservaría para casos de uso extremadamente exigentes, como los amplificadores de potencia RF con una densidad de corriente excesiva.
8–9×
transferencia de calor más rápida que la de una placa de FR-4 equivalente, lo que en diseños LED de alta potencia ha permitido a algunos equipos prescindir de disipadores adicionales y reportar reducciones del costo de ensamble de hasta 58% en casos publicados del sector.
Fuente: relación de transferencia de calor según SF Circuits / Power Electronics News; caso de costos según SMT Magazine (Saturn Electronics, 2012). Las cifras son referencias del sector, no una garantía de PCBark.
Tipos de placas de circuito impreso y selección: una o dos caras, multicapa, núcleo de cobre e IMS
La placa de circuito impreso con núcleo metálico adecuada es la que cumple con su carga térmica, el número de capas y el costo objetivo. Equivocarse en cualquiera de estos aspectos tiene consecuencias en ambos sentidos: especificar innecesariamente una PCB con núcleo de cobre para una simple cadena de LED multiplica el costo de la placa por 4-8 sin aportar beneficios, mientras que una especificación insuficiente puede salirle cara al hacer que el calor regrese al chip y someter el componente a esfuerzos térmicos hasta que falle prematuramente.
Esto se debe a que la conductividad del dieléctrico y el espesor del cobre deben corresponder a los vatios que se disipan, independientemente de lo que diga la etiqueta.
Como fabricamos los cinco tipos que se presentan a continuación en nuestra propia línea, desde placas de una cara hasta placas multicapa de 6 capas, la selección depende por completo de las especificaciones, sin tener que buscar un proveedor que tenga disponible algún tipo de placa de circuito impreso. A diferencia de los proveedores que solo fabrican y pueden orientarlo hacia lo que tienen en inventario, en PCBark evaluamos la idoneidad durante la revisión DFM.
Siga esta ruta de selección de PCB con núcleo metálico basada en 5 factores:
carga térmica, número de capas y densidad del trazado, entorno operativo, volumen de producción y costo objetivo
Nuestra matriz de selección
La siguiente matriz de selección muestra dónde encaja mejor cada tipo de placa de circuito impreso, incluso en los casos límite, tanto para las de núcleo metálico como para las híbridas con revestimiento metálico.
| Tipo de placa de circuito impreso | Capas | Conductividad del dieléctrico. | Aplicación más adecuada |
|---|---|---|---|
| PCB de aluminio de una cara | 1 | 1.0–2.0 W/m·K | Tiras LED, focos, iluminación de bajo costo |
| PCB de aluminio de dos caras | 2 | 2.0–3.0 W/m·K | Módulos de potencia, matrices LED de mayor densidad |
| PCB multicapa de aluminio | hasta 6 | hasta 5.0 W/m·K | Electrónica de potencia y control combinada |
| MCPCB con núcleo de cobre | 1–2 | dieléctrico + base de ~386 W/m·K | Potencia extremadamente alta, amplificadores de RF |
| IMS (sustrato metálico aislado) | 1–2 | 1–5 W/m·K | Controladores automotrices de alta confiabilidad |
PCB de aluminio de una y dos caras
El núcleo metálico de una cara. La opción más utilizada para iluminación LED. Una sola capa de cobre sobre nuestro dieléctrico y base de aluminio conduce el calor de los LED hacia abajo, donde puede distribuirse en el cobre y disiparse a través de la placa de circuito impreso. Una segunda capa en la cara posterior permite colocar los componentes de potencia y duplica las posibilidades de trazado para mayores requisitos de interconexión sin apartarse de la ruta térmica del núcleo metálico.
1–2 capas · 1.0–3.0 W/m·K · 1–4 oz de Cu · cantidad mínima de pedido flexible desde el prototipo
PCB multicapa con base de cobre / núcleo metálico híbrido
El núcleo metálico multicapa. Diseñado para incorporar hasta 6 capas conductoras en una sola placa de circuito impreso, permite distribuir la lógica de control y otros componentes en el mismo núcleo metálico con gestión térmica. Disponible con núcleo completamente de cobre o núcleo metálico híbrido en una gama en constante expansión que maximiza la transferencia de calor para diseños de potencia de RF y componentes de aplicaciones de alta corriente, con dieléctrico de nivel máximo de 5.0W/mK y capas de cobre de hasta 6oz.
hasta 6 capas · hasta 5.0 W/m·K · hasta 6 oz de Cu · 600 × 1200 mm máx.
Aplicaciones: iluminación LED, industria automotriz, electrónica de potencia y nuevas energías
La estructura en capas de las PCB de aluminio y núcleo metálico. Estas placas de circuito impreso se vuelven indispensables cuando el calor generado por el componente es el principal límite del rendimiento. Como muestra el mapa de aplicaciones térmicas, desde LED hasta la industria automotriz, sus necesidades concretas y requisitos de temperatura y confiabilidad determinarán qué nivel de producto necesita. (Contexto sobre la eficacia de los LED: U.S. DOE Solid-State Lighting)
Gracias a su equilibrio entre rendimiento térmico y costo para tantas aplicaciones, los LED siguen siendo nuestra mayor área de aplicación. La física es sencilla: los LED que trabajan a menor temperatura conservan su brillo durante más tiempo, o bien los diseñadores pueden alimentarlos con más intensidad dentro del mismo margen térmico. En la industria automotriz, especialmente en el compartimento del motor y en los faros, donde la elevada temperatura ambiente constante hace arriesgado usar FR-4, la capa de base metálica se convierte en el único medio confiable para conducir el calor del controlador por una ruta integrada, mantener el módulo dentro de sus especificaciones de operación y evitar sorpresas desagradables bajo el capó. Los mismos principios físicos se aplican a la conversión de potencia y a los equipos de nuevas energías, donde usamos estructuras con base de cobre o multicapa para manejar las corrientes y cargas térmicas más altas sin perder de vista objetivos de costo estrictos.
los convertidores de potencia representan nuestra segunda categoría de aplicación más importante y, por lo general, generan más calor en la placa de circuito impreso y operan a temperaturas ambiente, voltajes y corrientes aún mayores que los de las aplicaciones de iluminación LED. Nuestras fuentes de alimentación conmutadas, módulos de potencia DC-DC y controladores de motores están diseñados para conducir grandes cantidades de calor desde los componentes críticos de alta corriente hacia la base metálica y evitar fallas prematuras. Nuestra sólida estructura con sustrato de aluminio funciona como disipador de calor para toda la etapa de potencia a nivel de placa, mientras que el considerable espesor del cobre de nuestras placas permite manejar corrientes más altas. Esta es una razón principal por la que los ingenieros pasan de FR-4 a placas de aluminio o con base de cobre a medida que aumenta la densidad del diseño. Un alto rendimiento térmico ya no puede ser una opción añadida a la placa de circuito impreso; debe formar parte de su arquitectura.
Certificaciones y control de calidad (clase IPC 2/3, ISO 9001, UL, RoHS)
Al iniciar una relación con un proveedor, es fundamental saber si la placa de circuito impreso que usted califica será la misma que podrá adquirir en grandes volúmenes. Nuestros puntos de referencia son normas aceptadas por la industria, no descripciones subjetivas. Todas las PCB de aluminio y núcleo metálico de PCBark se diseñan, fabrican e inspeccionan conforme a IPC-6012 (especificación y diseño de placas rígidas) y se validan según los criterios visuales de IPC-A-600, dentro de la clase IPC elegida por el cliente (clase 2 o clase 3). Todas las placas de PCB bark pasan por una prueba eléctrica del 100%. (Sistema de calidad conforme a ISO 9001:2015)
IPC-6012
Calificación de placas de circuito impreso rígidas
IPC-A-600
Aceptación de clase 2 / clase 3
ISO 9001
Gestión de calidad
UL 94V-0
Clasificación de inflamabilidad
RoHS / REACH
Cumplimiento de requisitos para materiales
Prueba eléctrica del 100%
Cada placa de circuito impreso, en cada lote
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Herramientas avanzadas de ingeniería para MCPCB de aluminio
Estimador de resistencia térmica para PCB de aluminio
Estime la resistencia térmica entre la unión y el ambiente, y cuánto disminuye la temperatura de operación de su componente en una MCPCB de aluminio frente a FR-4. Modelo de primer orden para elegir la placa en una etapa inicial.
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Selector de niveles de capacidad para MCPCB de aluminio
Compare los requisitos de su diseño con los niveles de capacidad Standard, Best o Maximum de PCBark y compruebe de inmediato si sus especificaciones están dentro de nuestros límites de producción antes de enviar un archivo Gerber.
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Comparador del costo total de propiedad: MCPCB frente a FR-4 + disipador de calor
Una placa de núcleo metálico sin ensamblar cuesta más, pero FR-4 necesita disipadores de calor, ventiladores y vías térmicas para manejar la misma cantidad de calor. Compare el costo total por unidad de ambas opciones según su volumen de producción.
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Preguntas frecuentes sobre las PCB de aluminio
Depende del nivel de capacidad, el número de capas, el espesor del cobre, el acabado superficial y el volumen; una placa estándar de una sola cara es mucho más económica que una de 6 capas con conductividad térmica de 5.0 W/m·K. Como referencia, una placa de núcleo metálico sin ensamblar suele costar entre 2–4× lo que cuesta una equivalente de FR-4, aunque los diseños de alta potencia a menudo compensan esa diferencia al prescindir de disipadores de calor. FR-4 sigue siendo el material de PCB más económico y, por eso, suele ser la opción predeterminada hasta que la disipación de calor obliga a cambiarlo. Envíenos sus especificaciones para obtener una cotización exacta. (Referencia sobre el dieléctrico polimérico: USPTO US 2010/0012354 A1)
El FR-4 estándar tiene una conductividad térmica de aproximadamente 0.25 W/m·K, mientras que una PCB de núcleo metálico, también llamada placa de circuito impreso de núcleo metálico, utiliza un dieléctrico termoconductor de 1.0 a 5.0 W/m·K entre el cobre y una base de aluminio o cobre para transferir el calor 8–9 veces más rápido. La conductividad térmica de las estructuras de una PCB de núcleo metálico permitió reducir la resistencia térmica de 61.56 a 39.1 °C/W en la prueba de LED de TI. FR-4 se utiliza en las PCB destinadas principalmente a señales o cuando la gestión térmica no plantea problemas; una PCB de núcleo metálico también puede elegirse cuando la disipación del calor de los componentes es el factor decisivo y, por lo general, FR-4 seguirá siendo más económico hasta que el calor obligue a cambiar de material.
Ambas requieren un manejo específico durante el fresado, la perforación y el ranurado en V debido a la capa metálica, además de asegurar la adhesión del dieléctrico para evitar huecos atrapados; sin embargo, un fabricante con capacidad para producir placas de núcleo metálico puede hacerlo sin dificultad. Un error de diseño muy común con este tipo de placa es suponer que la base de aluminio conduce la corriente. Dicho claramente: el núcleo de aluminio sirve para disipar calor, no para conducir corriente. Si el diseño debe conducir una corriente elevada por la placa y se necesita una capacidad mayor que la habitual en aluminio, deben añadirse barras conductoras de cobre para mejorar el desempeño, en lugar de aumentar el espesor del aluminio. Recuerde que, al utilizar aluminio, su única función es transferir calor, no corriente.
No, porque eso eleva el costo para obtener capacidades térmicas que esos diseños no necesitan. Esta placa utiliza una MCPCB de aluminio con un dieléctrico de alta conductividad; como tiene las mismas propiedades térmicas y eléctricas que una placa con base de cobre, la opción de cobre no se justifica cuando la capa dieléctrica (1-8 W/mK) constituye un cuello de botella mayor. Esto también la acerca a una alternativa con aproximadamente la mitad de las características térmicas de una PCB de cobre o revestida de metal, a casi el mismo precio.
En PCBark fabricamos placas con un espesor total de 0.6 mm a 5.0 mm. Según el nivel de capacidad y el producto que reciba, puede optar por aluminio de 0.6 mm a 5.0 mm; nos importa fabricar las mejores placas para cumplir los requisitos de nuestros clientes. Para placas LED pequeñas y compactas puede bastar una placa más delgada, mientras que en productos más grandes y de alta potencia que requieren mayor transferencia de calor puede resultar más conveniente una base de aluminio más gruesa.
Sí, ofrecemos ambos en nuestras líneas estándar y de mayor capacidad (como se indicó antes); todo nuestro trabajo pasa por una sola línea de proceso. Esto reduce la necesidad de volver a preparar las herramientas y puede simplificar la fabricación de su producto, desde los prototipos hasta los pedidos de gran volumen. Al enviarnos su solicitud de cotización, indíquenos de cuánto tiempo dispone para la producción.
