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Por que o calor danifica os componentes eletrônicos e como os PCBs de alumínio resolvem o problema
O que é, de fato, um PCB de alumínio…
Um PCB de alumínio é uma placa de circuito impresso com base metálica, normalmente de alumínio e, às vezes, de cobre, unida à camada de circuito de cobre por um dielétrico fino e termicamente condutivo. E por um único motivo. Cada watt dissipado por um componente precisa sair da placa antes que a temperatura de junção ultrapasse o limite máximo. Isso não acontece em uma placa FR-4 convencional. (contexto: literatura do IEEE sobre gerenciamento térmico)
É aí que muitos projetos falham.
Um LED de potência ou driver MOSFET de 3 W instalado sobre FR-4 depende de um laminado que conduz calor a cerca de 0,25 W/mK. Sem uma saída para o calor, ele retorna ao chip. Isso eleva a temperatura e reduz a corrente de saída, a intensidade luminosa e a vida útil, assim como ocorre com a vida útil e as tensões de componentes eletrolíticos e semicondutores. Para conter o aquecimento, as equipes recorrem a dissipadores, ventiladores e vias térmicas, acrescentando complexidade, peso e possibilidades de falha.
As 4 camadas responsáveis pela dissipação de calor
A capacidade de uma placa de alumínio de dissipar o calor retido por uma placa FR4 depende do seu stackup. Diferentemente de uma placa de circuito impresso convencional com base de fibra de vidro, o PCB de alumínio tem uma estrutura de 4 camadas, cada uma com uma função no caminho térmico:
01
Camada de circuito em folha de cobre
a folha de cobre gravada que forma o circuito, normalmente com 1–6 oz. A espessura do cobre determina a capacidade de corrente, como em qualquer placa de circuito impresso.
02
Camada dielétrica termicamente condutiva (isolante)
um polímero fino com carga cerâmica que proporciona isolamento elétrico e conduz o calor para baixo a 1,0–5,0 W/m·K. É essa camada que distingue uma boa placa de núcleo metálico de uma mediana.
03
Camada de base de alumínio (substrato)
o substrato de alumínio, geralmente uma liga 5052 ou 6061, que distribui o calor e constitui a base estrutural da placa.
04
Face posterior / acabamento superficial
tratamento de superfície e acabamento opcional da base que protegem o substrato de alumínio durante a montagem e o uso.
Capacidades da PCBark para PCBs de alumínio e núcleo metálico (padrão → máximo)
A maioria dos fabricantes apresenta uma única coluna de especificações “típicas” para placas de alumínio, sem deixar claro se um projeto fora do padrão é viável. Nós publicamos 3. A matriz de capacidades de PCBs de alumínio em 3 níveis abaixo mostra nossa faixa de produção padrão, a faixa de maior capacidade para projetos exigentes em dissipação de calor e o máximo absoluto que qualificamos, para que o engenheiro identifique o nível adequado antes de enviar qualquer arquivo Gerber.
VERIFICAÇÃO DFM // APROVADA
Francamente, quase toda essa tabela parece exagero, exceto por 2 números. A condutividade dielétrica máxima de 5,0 W/mK está no limite superior alcançado pelos laminados térmicos usados na produção. Pedidos de patente independentes sobre dielétricos IMS, incluindo a patente dos Estados Unidos nº 9.551.082 B2, descrevem camadas dielétricas cerâmicas acima de 5 WmK e rigidez dielétrica superior a 50 kVmm; portanto, trata-se de um limite real do material, não de discurso de marketing. O máximo de 6 camadas faz grande diferença porque a maioria dos fabricantes de PCBs de alumínio não ultrapassa 1 ou 2 camadas; com um núcleo metálico multicamadas, é possível reunir toda a lógica de potência e controle em uma única placa com gerenciamento térmico. (limite do dielétrico verificado com base no USPTO US 9.551.082 B2)
| Parâmetro | Capacidade padrão | Capacidade avançada | Capacidade máxima |
|---|---|---|---|
| Tipo de produto | PCB de alumínio de face simples ou dupla face | PCB de alumínio de alta condutividade para LEDs e potência | PCB de alumínio multicamadas, com base de cobre ou núcleo metálico híbrido |
| Camadas | 1–2 | 1–4 | 6 |
| Espessura da placa | 1,0–2,0 mm | 0,8–3,0 mm | 0,6–5,0 mm |
| Espessura da base de alumínio | 0,8–1,5 mm | 0,6–3,0 mm | 5,0 mm |
| Peso do cobre | 1–2 oz | 1–4 oz | 6 oz |
| Condutividade térmica | 1,0–2,0 W/m·K | 2,0–3,0 W/m·K | 5,0 W/m·K |
| Largura mínima de trilha / espaçamento mínimo | 0.15 / 0,15 mm | 0.10 / 0,10 mm | 0.075 / 0,075 mm |
| Diâmetro mínimo do furo | 0,30 mm | 0,20 mm | 0,15 mm |
| Espessura do cobre no furo | ≥20 µm | ≥25 µm | ≥35 µm |
| Acabamento superficial | HASL-LF, OSP, ENIG | ENIG, HASL-LF, OSP | ENIG, prata por imersão, estanho por imersão |
| Máscara de solda | Branca, preta, verde | Branca, preta, preta fosca, azul | Cores personalizadas |
| Recorte do contorno | Fresagem CNC, corte em V | CNC, corte em V, estampagem | Contornos irregulares e complexos |
| Dimensões máximas da placa | 400 × 500 mm (até 1500 × 400) | 500 × 600 mm | 600 × 1200 mm |
| Tensão suportada | 1–2 KV | 2–4 KV | 6 KV |
| Aplicações | Iluminação LED, módulos de potência | Iluminação automotiva, controle industrial, eletrônica de potência | Módulos térmicos de alta potência, equipamentos de novas energias |
Comparação de desempenho: PCB de alumínio, FR-4 e núcleo de cobre
O ponto surpreendente: uma base metálica com maior condutividade não significa, necessariamente, uma placa mais fria.
O cobre conduz calor a ~386 W/m·K e o alumínio a 138–167 W/m·K, mas o verdadeiro gargalo térmico é a fina camada dielétrica entre o circuito de cobre e a base metálica: sua condutividade é de apenas 1–8 W/m·K, e ela domina a resistência térmica total. Escolher a placa apenas pelo metal da base é o erro mais comum que encontramos nos projetos recebidos.
Por isso, é preciso comparar a resistência térmica de cada stackup completo entre o componente e o dissipador, em vez de olhar apenas para alumínio ou cobre. Como mostra a comparação de 8 métricas entre alumínio, FR-4 e núcleo de cobre abaixo, ela usa valores medidos e publicados, não apenas classificações vagas como alto, médio e baixo. (base para o dielétrico de núcleo metálico: USPTO US 9.265.160 B2)
| Métrica | FR-4 (padrão) | MCPCB de alumínio | MCPCB com núcleo de cobre |
|---|---|---|---|
| Condutividade do laminado / dielétrico | 0,25 W/m·K | 1,0–5,0 W/m·K (dielétrico) | 1,0–5,0 W/m·K (dielétrico) |
| Condutividade da base metálica | — | 138–167 W/m·K (5052 / 6061) | ~386 W/m·K (C110) |
| Resistência térmica RθJA (teste de LED da TI) | 61,56 °C/W | 39,1 °C/W | ainda menor |
| Transferência de calor em relação ao FR-4 | Referência de 1× | ~8–9× mais rápida | a maior |
| Custo relativo da placa sem componentes | 1× | 2–4× | 4–8× |
| Tolerância térmica da base | Tg 130–140 °C | até ~400 °C | até ~400 °C |
| Flexibilidade no número de camadas | 1–20+ (multicamadas) | 1–6 camadas | normalmente 1–2 |
| Aplicação mais indicada | lógica / sinais em geral | LED, potência, gerenciamento térmico automotivo | potência extremamente alta, RF |
Nota de engenharia: como interpretar a tabela
Para a maioria das placas de sinal e lógica, o FR-4 é a escolha mais versátil.
Quando basta dissipar o calor de um componente para limitar a temperatura de junção — e nada mais —, uma placa com núcleo metálico custa 2 a 4 vezes mais, mas justifica o preço, por exemplo, em aplicações de LED e potência quando há uma lacuna térmica que o cobre não consegue superar dentro da faixa de custo razoável de 2,0-3,0 W/mK para o dielétrico de um MCPCB de alumínio; já o núcleo de cobre teria sua utilidade térmica restrita a casos de uso extremamente exigentes, como amplificadores de potência de RF com densidade de corrente excessiva.
8–9×
transferência de calor mais rápida que a de uma placa FR-4 equivalente, o que, em projetos de LEDs de alta potência, permitiu eliminar dissipadores adicionais e obter reduções de até 58% no custo de montagem, segundo casos publicados pelo setor.
Fonte: relação de transferência de calor segundo SF Circuits / Power Electronics News; caso de custo segundo SMT Magazine (Saturn Electronics, 2012). Esses números são referências do setor, não uma garantia da PCBark.
Tipos de placa e seleção: face simples, dupla face, multicamadas, núcleo de cobre e IMS
A placa com núcleo metálico adequada é aquela que atende à sua carga térmica, ao número de camadas e à meta de custo — errar na especificação traz prejuízos em ambos os sentidos: especificar um PCB com núcleo de cobre além do necessário para uma simples sequência de LEDs eleva o custo da placa em 4-8 vezes sem benefício adicional, enquanto especificá-lo abaixo do necessário pode sair caro, fazendo o calor voltar à pastilha semicondutora e submetendo o componente a estresse até que ele falhe prematuramente.
Essa escolha é importante porque a condutividade do dielétrico e a espessura do cobre precisam corresponder à potência dissipada, independentemente do nome dado à placa.
Como fabricamos todos os 5 tipos abaixo em nossa própria linha, que atende desde placas de face simples até placas multicamadas de 6 camadas, a seleção depende das especificações, sem a necessidade de procurar um fornecedor que tenha determinado tipo de placa. Ao contrário de fornecedores que apenas fabricam e podem sugerir o que têm em estoque, a PCBark avalia a adequação na análise DFM.
Siga os 5 critérios de seleção para PCBs de núcleo metálico:
carga térmica, número de camadas e densidade de roteamento, ambiente de operação, volume de produção e meta de custo
Nossa matriz de seleção
A matriz abaixo mostra a aplicação mais indicada para cada tipo de placa, inclusive as opções no limite da capacidade, tanto as de núcleo metálico quanto as híbridas com revestimento metálico.
| Tipo de placa | Camadas | Condutividade do dielétrico. | Mais indicada para |
|---|---|---|---|
| PCB de alumínio de face simples | 1 | 1,0–2,0 W/m·K | Fitas de LED, lâmpadas e iluminação de baixo custo |
| PCB de alumínio de dupla face | 2 | 2,0–3,0 W/m·K | Módulos de potência e conjuntos de LEDs mais densos |
| PCB de alumínio multicamadas | até 6 | até 5,0 W/m·K | Eletrônica de potência e controle combinada |
| MCPCB com núcleo de cobre | 1–2 | dielétrico + base de ~386 W/m·K | Potência extremamente alta e amplificadores de RF |
| IMS (substrato metálico isolado) | 1–2 | 1–5 W/m·K | Drivers automotivos de alta confiabilidade |
PCB de alumínio de face simples ou dupla face
O núcleo metálico de face simples. A escolha versátil para iluminação LED. Uma única camada de cobre sobre o dielétrico e a base de alumínio conduz o calor dos LEDs para baixo, permitindo que ele se espalhe pelo cobre e se dissipe pela placa. Uma camada adicional na face posterior acomoda os componentes de potência e amplia o espaço para roteamento quando são necessárias mais interconexões, sem alterar o caminho térmico pelo núcleo metálico.
1–2 camadas · 1,0–3,0 W/m·K · 1–4 oz de Cu · MOQ flexível a partir do protótipo
PCB multicamadas com base de cobre / núcleo metálico híbrido
O núcleo metálico multicamadas. Projetado para até 6 camadas condutoras em uma única placa, permite integrar lógica de controle e outros componentes ao mesmo núcleo metálico com gerenciamento térmico. Disponível com núcleo totalmente de cobre ou núcleo metálico híbrido em uma linha de produtos em expansão, que maximiza a transferência de calor para projetos de potência de RF e aplicações de alta corrente, com dielétrico de capacidade máxima de 5.0W/mK e camadas de cobre de até 6oz.
até 6 camadas · até 5,0 W/m·K · até 6 oz de Cu · máximo de 600 × 1200 mm
Aplicações: iluminação LED, setor automotivo, eletrônica de potência e novas energias
A estrutura em camadas de núcleo metálico dos PCBs de alumínio e núcleo metálico. Essas placas se tornam necessárias quando o calor do componente é o principal limite ao desempenho. Como mostra o mapa de aplicações térmicas, de LEDs ao setor automotivo, suas necessidades e os requisitos específicos de dissipação térmica e confiabilidade indicam o nível de produto adequado. (contexto sobre a eficiência dos LEDs: programa de iluminação de estado sólido do Departamento de Energia dos Estados Unidos)
Por atender às exigências térmicas e de custo de tantas aplicações, os LEDs continuam sendo nosso maior segmento individual. A física é simples: LEDs mais frios mantêm o brilho por mais tempo, ou podem ser acionados com maior intensidade dentro de um limite térmico constante. No setor automotivo, sobretudo no compartimento do motor e nos faróis, onde a temperatura ambiente constantemente elevada torna o FR-4 uma escolha arriscada, a camada de base metálica passa a ser o único meio confiável de conduzir o calor do driver por um caminho integrado, manter o módulo dentro das especificações de operação e evitar surpresas desagradáveis sob o capô. A mesma física se aplica à conversão de potência e aos equipamentos de novas energias, nos quais usamos estruturas com base de cobre ou multicamadas para suportar as correntes e cargas térmicas mais elevadas e, ao mesmo tempo, atender a metas rigorosas de custo.
Os conversores de potência representam nossa segunda maior categoria de aplicação e, em geral, envolvem maior aquecimento da placa, temperaturas ambientes mais altas e tensões e correntes de operação ainda maiores do que as aplicações de iluminação LED. Nossas fontes de alimentação chaveadas, módulos de potência DC-DC e acionamentos de motores são projetados para conduzir grandes quantidades de calor dos componentes críticos de alta corrente para a base metálica termicamente condutora, evitando falhas prematuras. Nossa estrutura robusta com substrato de alumínio funciona como o dissipador de calor ideal, no nível da placa, para todo o estágio de potência, enquanto a espessura considerável do cobre em nossas placas suporta correntes mais altas e é um dos principais motivos para os engenheiros migrarem de uma placa FR-4 para uma placa com base de alumínio ou cobre à medida que aumenta a densidade de componentes. O alto desempenho no gerenciamento térmico já não pode ser uma opção acrescentada à sua placa; ele precisa fazer parte da arquitetura da placa.
Certificações e controle de qualidade (classe IPC 2/3, ISO 9001, UL, RoHS)
Ao iniciar uma relação com um novo fornecedor, é essencial saber se a placa qualificada será a mesma disponível em escala. Nossas referências são normas aceitas pelo setor, não descrições subjetivas. Todos os PCBs de alumínio e núcleo metálico da PCBark são projetados, fabricados e inspecionados conforme a IPC-6012 (especificação e projeto de placas rígidas) e validados segundo os critérios visuais da IPC-A-600, na classe IPC escolhida pelo cliente (classe 2 ou classe 3). Todas as placas PCB bark passam por teste elétrico de 100%. (sistema de qualidade conforme ISO 9001:2015)
IPC-6012
Qualificação de PCB rígido
IPC-A-600
Critérios de aceitação da classe 2 / classe 3
ISO 9001
Gestão da qualidade
UL 94V-0
Classificação de inflamabilidade
RoHS / REACH
Conformidade dos materiais
Teste elétrico em 100%
Todas as placas, em todos os lotes
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Ferramentas avançadas de engenharia para PCBs de alumínio com núcleo metálico
Estimador de resistência térmica para PCBs de alumínio
Estime a resistência térmica entre a junção e o ambiente e quanto mais frio seu componente opera em um MCPCB de alumínio em comparação com FR-4. Modelo de primeira aproximação para a escolha inicial da placa.
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Seletor de níveis de capacidade para MCPCBs de alumínio
Associe os requisitos do seu projeto aos níveis de capacidade Standard, Best ou Maximum da PCBark — e veja imediatamente se suas especificações estão dentro dos nossos limites de produção antes de enviar um arquivo Gerber.
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Comparador de TCO: MCPCB versus FR-4 + dissipador de calor
Uma placa com núcleo metálico custa mais sem montagem — mas a FR-4 precisa de dissipadores, ventiladores e vias metalizadas térmicas para lidar com o mesmo calor. Compare o custo total por unidade das duas opções para o seu volume de produção.
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Perguntas frequentes de compradores sobre PCBs de alumínio
O preço depende do nível de capacidade, do número de camadas, da espessura do cobre, do acabamento superficial e do volume; uma placa padrão de face única custa muito menos que uma configuração de 6 camadas com 5,0 W/m·K. Como referência, uma placa com núcleo metálico geralmente custa 2–4× mais que uma placa FR-4 equivalente sem montagem, embora projetos de alta potência muitas vezes compensem essa diferença ao dispensar dissipadores de calor. A FR-4 continua sendo o material de PCB mais barato e, por isso, segue como opção padrão até que a dissipação térmica exija a troca. Envie suas especificações para receber uma cotação exata. (referência sobre dielétrico polimérico: USPTO US 2010/0012354 A1)
A FR-4 padrão conduz calor a cerca de 0,25 W/m·K, enquanto uma PCB com núcleo metálico, também chamada de placa de circuito impresso com núcleo metálico, usa um dielétrico termicamente condutivo de 1.0 a 5,0 W/m·K entre o cobre e uma base de alumínio ou cobre para transferir calor 8–9 vezes mais rápido. A condutividade térmica das estruturas de camadas dessas PCBs foi o que reduziu a resistência térmica de 61.56 para 39,1 °C/W no teste com LED da TI. A FR-4 é usada em PCBs voltadas a sinais ou quando não há problemas de gestão térmica; uma PCB com núcleo metálico também pode ser escolhida quando a dissipação do calor dos componentes é a questão principal; além disso, a FR-4 geralmente custa menos até que o calor exija a mudança.
Ambas exigem cuidados específicos na fabricação: fresagem do contorno, furação e ranhuras em V devido à camada metálica, além de garantir a adesão do dielétrico para evitar vazios internos; ainda assim, um fabricante com capacidade para produzir placas com núcleo metálico consegue executar essas etapas com facilidade. Um erro de projeto muito comum com esse material é tratar a base de alumínio como condutora de corrente. Em termos diretos: o núcleo de alumínio serve para transferir calor, não corrente. Se o projeto precisar conduzir correntes elevadas na placa e exigir uma capacidade superior à típica de uma placa de alumínio, devem ser adicionados barramentos de cobre para aumentar o desempenho, não uma base de alumínio mais espessa. Lembre-se de que, ao usar alumínio, sua única função é transferir calor, não corrente.
Não, pois isso aumenta o custo para obter capacidades térmicas de que o projeto não precisa. Esta placa usa um MCPCB de alumínio com um dielétrico de alta condutividade; como apresenta as mesmas propriedades térmicas e elétricas encontradas em uma placa com base de cobre, a escolha do cobre não se justifica quando a camada dielétrica (1-8W/mK) é o principal gargalo. Isso também a aproxima de uma alternativa com aproximadamente metade das características térmicas de uma PCB com núcleo de cobre ou revestimento metálico, por quase o mesmo preço.
Na PCBark, fabricamos placas com espessura total de 0,6 mm a 5,0 mm. Dependendo do nível de capacidade e do produto, há opções de alumínio de 0,6 mm a 5,0 mm; fabricamos as placas para atender aos requisitos de nossos clientes. Para placas LED menores e compactas, uma placa mais fina pode ser suficiente; já em produtos maiores e de alta potência que exigem maior transferência de calor, uma base de alumínio mais espessa pode ser mais vantajosa.
Sim, oferecemos ambos nas nossas linhas padrão e superior (listadas acima); todo o trabalho passa por uma única linha de processo. Isso reduz a necessidade de preparar novamente as ferramentas e pode simplificar a fabricação, desde os protótipos até os pedidos em grande volume. Ao nos enviar sua solicitação de cotação, informe o prazo disponível para a produção.
