CC BY
78174
технологии
материалы
Теплопроводные материалы
в электронных модулях
Юрий ГЛАДУШ
Решение проблемы теплоотвода — сложная инженерная задача. Следует понимать, что в любой электронной системе есть «горячие точки», которые при неумелом проектировании теплоотводов способны дать сбои. И как показывает практика, они-то и возникают в самые ответственные моменты работы электронных систем, когда нагрузка на элементы максимально высока.
Даже если проектированием системы занимается профессионал, учесть все нюансы удается не всегда. И некогда оптимальная система с ростом мощности может оказаться неспособной выполнять свои функции. С другой стороны, установка дополнительных систем охлаждения вряд ли будет экономически и технологически оправданной, поскольку приведет к усложнению и возрастанию веса конструкции.
Новое решение старой проблемы предлагает немецкая компания М8С-Ро1ушег, которая поставляет на российский рынок материалы — высококачественные и класса Н1-Еп^ Для решения проблемы теплоотвода М8С-Ро1ушег предлагает композиционный материал СОВШТНЕКМ (рис. 1).
Материал СОВШТНЕИМ наиболее актуален для производства осветительных приборов: световых табло, солнечных батарей, конвертеров постоянного и переменного тока, источников питания и другой электронной техники. Он позволяет отводить тепло по всей площади печатной платы без установки дополнительных систем охлаждения, поскольку сам является радиатором и рассеивателем тепла.
В Испании было построено высотное здание (рис. 2) с подсветкой из множества мощных светодиодов, установленных на групповой подложке (ГП) из материала СОВШТНЕИМ, — в качестве демонстрации его возможностей.
СОВЫТНЕИМ обрабатывается подобно фольгированным стеклотекстолитам типа БИ-4 и подходит для бессвинцовой технологии пайки. Материал отличается высокой надежностью благодаря использованию керамики, тепловыми и диэлектрическими характеристиками, пониженным нагревом компонентов, что приводит к увеличению срока их службы.
СОВШТНЕИМ представляет собой слоистый материал: алюминиевая подложка, покрытая электролитической медью, между
Рис. 1. Печатная плата, изготовленная из материала COBRITHERM
которыми находится керамическая прослойка. Производство такого соединения выполняется по специальной технологии горячего прессования.
Конструкция СОВРИНЕРМ
На рис. 3 представлена эволюция конструкции материала СОВМТНЕ1Ш.
Усовершенствованная конструкция СОВШТНЕЮУ! имеет улучшенные характеристики по теплопроводности, термостойкости, пробивному напряжению и прочности на отрыв.
Медь
Первый слой — это электролитически осажденная медь (НТЕ) толщиной 18-210 мкм. Такой тип фольги, как известно, предпочтительнее, так как имеет видоизмененную I структуру меди, более приспособленную к отслаиванию от диэлектрика. Рисунок печатной платы на медном слое формируется традиционно — методом фотолитографии (негативная технология).
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 '2008
AICu-P
AICu
Медная фольга Полимер-керамика Алюминиевая подложка
Медная фольга Диэлектрик
Алюминиевая подложка
Медная фольга Усиленная полимер-керамика Алюминиевая подложка
Рис. 3. Конструкция материала COBRITHERM
Полимер-керамика
Второй слой обладает высокой теплопроводностью и представляет собой особый диэлектрик — смесь полимера и керамики толщиной 50-150 мкм. Полимер является электроизолирующим элементом между проводящим рисунком и теплоотводом, керамика, в свою очередь, обладает отличной теплопроводностью. Вместе эти две составляющие дают низкое тепловое сопротивление и отличные диэлектрические свойства (таблица 1).
Алюминий
Алюминиевая подложка в первую очередь несет на себе функцию механической опоры платы. А также благодаря своим температурным характеристикам является отличным теплоотводом. Идеальное соединение источника тепловыделения с токопроводя-
Таблица 2. Сравнительные характеристики сплавов алюминия 6082 T6 и 5052 H34
Свойства 6082 T6 5052 H34
Химический состав AlMgSil AlMg2
Теплопроводность, Вт/м-°К 172 138
Твердость по Бринеллю (НВ) 95 70
Точка плавления, °С 575-650 605-650
Предел прочности, Н/мм2 250 340
0,2% предела прочности, Н/мм2 200 310
Модуль упругости, ГПа 69 69
щим рисунком платы и адгезивным подслоем (керамика) способствует более полной теплопередаче и рассеиванию тепла на металлическом основании. В СОВШТИЕКМ используется алюминий марки 5052 Н34, который обладает оптимальной теплопроводностью, прочностью, что позволяет обрабатывать его на станках с ЧПУ (традиционным способом) для получения сложного фасонного контура ПП. В продаже есть СОВШТНЕИМ на основе сплава алюминия 6082 Т6. Сравнительные характеристики сплавов представлены в таблице 2.
Стандартная толщина алюминиевой подложки: 1; 1,5; 2; 3 мм.
СОВШТНЕИМ поставляется также в виде двустороннего ламината. Такая конструкция позволяет монтировать элементы сразу с двух сторон и не требует наличия какой-либо дополнительной изоляции, поскольку подслой из полимер-керамики выполняет эту функцию. Это способствует увеличению плотности монтажа и снижению стоимости изделия. Материал СОВШТНЕИМ достаточно жесткий и прочный, так что печатные платы на
его основе могут являться элементами конструкции электронных устройств и напрямую крепиться к кожуху бортовой техники для кондуктивного теплоотвода.
Для того чтобы алюминий не влиял на состав ванн химической обработки, обратная сторона материала защищена полиэстеровой пленкой толщиной 30 мкм, которая блокирует доступ электролитов к алюминиевой подложке на всем цикле производства, включая горячее лужение.
Рекомендации по конструкции
Ввиду того, что медь и алюминий имеют разные коэффициенты термического расширения, производитель разделяет их слоем из полимер-керамики, для того чтобы минимизировать возникновение короблений печатной платы. Тем не менее, при выборе конструкции печатной платы следует соблюдать соотношение толщины алюминия к меди, оно должно быть не более 1/10.
Большие медные контактные площадки способствуют более эффективному отводу тепла от кристалла, в отличие от проводящих клеев.
Необходимо помнить, что с уменьшением толщины алюминия возникает импеданс между высоко нагруженными элементами. По этой причине мы рекомендуем использовать более толстый слой алюминия для вы-соконагруженных элементов.
Необходимо наносить паяльную маску на печатную плату из COBRITHERM, максимально маскируя диэлектрик и топологию токопроводящего рисунка. Это снижает риск статического и электрического пробоя между радиоэлементами и максимально защитит плату от воздействия внешних факторов.
Для предотвращения риска электрического разряда между торцом металлической платы и трассой, следует формировать топологию проводящего рисунка вдали от края печатной платы.
COBRITHERM совместим со стандартными финишными покрытиями, такими как иммерсионное олово, золото, HASL, OSP, а также с технологией бессвинцовой пайки (пиковая температура — 300 °С).
При работе с покрытием Ni-Au нужно внимательно следить за загрязнением химических растворов алюминием, но производитель принимает все меры по защите торцов и обратной стороны материала COBRITHERM. Для этих целей рекомендуется проконсультироваться с вашим поставщиком химических составов.
При изготовлении печатных плат на основе алюминия используются традиционные технологии обработки, материал раскраивается вырубкой, фрезерованием, пилением. Для получения сквозных отверстий на станках с ЧПУ, во избежание поломок инструмента, необходимо учесть жесткость обрабатываемого материала. ■
Таблица 1. Сравнительные характеристики материала COBRITHERM с прослойкой из диэлектрика (АІСи) и полимер-керамики (АІСиР)
Характеристики AlCu AlCuP
Диэлектрик, мкм (±0,015) 110 150 100
Удельная теплопроводность, Вт/м-°К (диэлектрик) 1,35 1,35 0,9
Тепловое сопротивление, °К-м2/Вт 0,000081 0,000111 0,000111
Сопротивление к отслаиванию меди, после 20 мин/288 °С, Н/мм 1,6 1,6 2,8
Макс. рабочая температура, °С 130 130 130
Емкость, А, 50 Гц, пФ/см2 35 49
Пробивное напряжение, кВ, АС 6 7 5
Контрольное испытание, В АС-РС 500-1500 500-2000 500-2000
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 '2008
www.tech-e.ru
