พีซีบีพื้นฐานอลูมิเนียม VS FR4: เมื่อเลือกเทคโนโลยีเมทัลคอร์

ในโลกของแผ่นวงจรพิมพ์ มีเทคโนโลยีสองอย่างเป็นหลัก: PCB FR4 แบบดั้งเดิม และ PCB ที่มีฐานอะลูมิเนียม (เมทัลคอร์)PCBs ฐานอลูมิเนียม (MCPCBs) ได้ปรากฏขึ้นเป็นคําตอบที่สําคัญสําหรับพลังงานสูงการเลือกระหว่างพวกเขาไม่ได้เพียงแค่เกี่ยวกับค่าใช้จ่าย มันเกี่ยวกับการสอดคล้อง PCB กับความต้องการของอุปกรณ์ปลายการเลือกพื้นฐานที่ไม่ถูกต้อง อาจทําให้เกิดความร้อนเกินรายละเอียดของวิธีการเทคโนโลยีเหล่านี้เปรียบเทียบกันและเมื่อเลือกหนึ่งเหนืออีกหนึ่ง

ข้อสําคัญ
a. PCBs ฐานอลูมิเนียมดีเยี่ยมในการจัดการความร้อน, ขยายความร้อน 3 หน า 10 ครั้งเร็วกว่า FR4, ทําให้พวกเขาเป็นที่เหมาะสมสําหรับองค์ประกอบพลังงานสูง (10W +).
b.FR4 ยังคงมีประสิทธิภาพด้านค่าใช้จ่ายสําหรับการใช้งานพลังงานต่ํา (≤5W) และอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป ด้วยการมีให้บริการที่ดีขึ้นและต้นทุนการผลิตที่ต่ํากว่า
c. PCBs อลูมิเนียมลดอุณหภูมิส่วนประกอบลง 20 ~ 50 °C ในระบบพลังงานสูง, ขยายอายุการใช้งาน 2 ~ 3 ครั้งเมื่อเทียบกับ FR4.
d.การเลือกขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของพลังงาน สภาพแวดล้อมการทํางาน (อุณหภูมิ / การสั่นสะเทือน) และข้อจํากัดค่าใช้จ่าย: อลูมิเนียมสําหรับอุปกรณ์ความร้อน FR4 สําหรับโครงการที่ใช้พลังงานต่ําและมีความรู้สึกต่องบประมาณ

PCB ฐานอลูมิเนียมและ FR4 PCB คืออะไร?

พีซีบีฐานอลูมิเนียม (MCPCBs)
พีซีบีพื้นฐานอลูมิเนียม (ยังเรียกว่าพีซีบีเมทัลคอร์หรือ MCPCBs) มีโครงสร้างชั้นที่สร้างอยู่รอบพื้นฐานอลูมิเนียม:
a.แกนอลูมิเนียม: ฐานอลูมิเนียมหนา (0.3 ∼3 มม.) ที่ทําหน้าที่เป็นน้ําร้อน, ดึงความร้อนออกจากองค์ประกอบ
b.Dielectric Layer: เป็นชั้นกันไฟบาง (25μm) (มักจะเป็น epoxy หรือ polyimide) ที่นําความร้อนไปขณะที่ปิดไฟฟ้า
c. Copper Circuit Layer: ราคา 1 องศา 3 องศาของทองแดงสําหรับการนําไฟฟ้า, ติดต่อกับชั้น dielectric
การออกแบบนี้ให้ความสําคัญต่อการนําความร้อน ทําให้ PCBs อลูมิเนียมมีประสิทธิภาพในการระบายความร้อนมากกว่าพื้นฐานแบบดั้งเดิม

PCB FR4
FR4 เป็นแผ่นเอปอ๊อกซี่ที่เสริมด้วยไฟเบอร์กลาส สารสับสราต PCB ที่พบทั่วไปที่สุดในโลก
a.FR4 Core: สารประกอบแบบแข็งกระดูกไฟเบอร์กลาส-เอโป็กซี่ (0.4 หนา 3.2 มม.) ที่ให้ความมั่นคงทางกล
b.Copper Layers: 1 หน่วยส่องทองแดงติดต่อกับแกนด้วยยาแน่น
c.Solder Mask: เป็นชั้นป้องกันเพื่อแยกรอยและป้องกันวงจรสั้น
FR4 มีคุณค่าสําหรับราคาต่ํา, ความแข็งแรง, และความสอดคล้องกับกระบวนการผลิตมาตรฐาน, แต่มันมีความสามารถในการนําความร้อนที่ต่ํา.

การเปรียบเทียบหัวต่อหัว: ฐานอลูมิเนียม vs FR4

ทําไมการนําความร้อนจึงสําคัญ

ความสามารถในการนําความร้อนคือความแตกต่างที่กําหนดระหว่างพื้นฐานอลูมิเนียมและ FR4 PCB สําหรับองค์ประกอบพลังงานสูง ความแตกต่างนี้มีความสําคัญ
ไลด์ 50W ที่ติดตั้งบน PCB FR4 สามารถถึง 120 °C ที่จุดเชื่อม, ลดอายุการใช้งานไปถึง 20,000 ชั่วโมง
ไลด์เดียวกันบน PCB แบนอลูมิเนียม อยู่ที่ 70 °C ขยายอายุการใช้งานไป 50,000+ ชั่วโมง
ในอุปกรณ์ประกอบรถยนต์ อินเวอร์เตอร์ EV ที่ผลิตพลังงาน 100kW จะอุ่นเกินใน FR4 ส่งผลให้หยุดทํางานหรือมีความเสี่ยงไฟการรักษาส่วนประกอบภายในช่วงการทํางานที่ปลอดภัย (≤ 100 °C).

เมื่อเลือก PCB ฐานอลูมิเนียม
พีซีบีพื้นฐานอลูมิเนียมมีค่าใช้จ่ายสูงกว่าในแอพลิเคชั่นที่การจัดการความร้อนมีผลกระทบต่อการทํางานหรือความปลอดภัยโดยตรง

1. ไฟ LED พลังงานสูง
LEDs (โดยเฉพาะรุ่นความสว่างสูง) เปลี่ยนแปลงพลังงานเป็นแสงเพียง 20~30% ส่วนที่เหลือกลายเป็นความร้อน
ลดอุณหภูมิการเชื่อมต่อ LED โดย 40~60 °C เมื่อเทียบกับ FR4
ขยายอายุการใช้งานของ LED จาก 20,000 ชั่วโมงเป็น 50,000+ ชั่วโมงในไฟฟ้าถนน, เครื่องติดตั้งสนามกีฬา, และไฟหน้ารถยนต์
ทําให้การออกแบบขนาดเล็กและคอมแพคต์มากขึ้น โดยการกําจัดหลุมระบายความร้อนภายนอกขนาดใหญ่

2อิเล็กทรอนิกส์รถยนต์
รถยนต์ต้องการ PCB ที่ทนอุณหภูมิและการสั่นสะเทือน
อินเวอร์เตอร์ EV และคอนโทรลเลอร์มอเตอร์ ระบบ 600V + นี้ผลิตความร้อนอย่างมาก PCB อลูมิเนียมรักษา IGBTs (ไทรนิสเตอร์ไบโปลาร์ประตูแยก) ต่ํากว่า 100 ° C, ป้องกันการหลบร้อน
หน่วยตรวจจับ ADAS: โมดูลราดาร์และ LiDAR ในรถยนต์ที่ใช้ตัวเองต้องการอุณหภูมิที่คงที่เพื่อการอ่านที่แม่นยํา PCB อลูมิเนียมลดการเคลื่อนไหวทางความร้อนถึง 70% เมื่อเทียบกับ FR4
ไฟหน้า LED: ทนความร้อนภายใต้หมวก (120 ° C +) และการสั่นสะเทือน, รับประกันผลงานที่คงที่ในพื้นที่ที่หยาบ.

3ระบบพลังงานอุตสาหกรรม
อุปกรณ์โรงงาน เช่น เครื่องขับเคลื่อนมอเตอร์, พลังงานไฟฟ้า, และเครื่องควบคุมการปั่นพึ่งพา PCB อลูมิเนียม:
เครื่องควบคุมอุตสาหกรรม 200A บน PCB อลูมิเนียมทํางานเย็นกว่า 30 °C กว่า FR4 ลดเวลาหยุดทํางานจากการอุ่นเกิน 80%
ความต้านทานต่อการสั่นสะเทือนของพวกเขา (ความอดทนต่อการกระแทก 20G) ทําให้พวกเขาเหมาะสมสําหรับเครื่องจักรในโรงงานผลิต

4ระบบพลังงานที่สามารถปรับปรุงได้
อินเวอร์เตอร์พลังแสงอาทิตย์และเครื่องควบคุมอุตสาหกรรมลมสามารถจัดการกับกระแสไฟฟ้าที่สูง ทําให้การจัดการความร้อนมีความสําคัญ:
พีซีบีอลูมิเนียมในอินเวอร์เตอร์พลังแสงอาทิตย์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานขึ้นถึง 3~5% โดยการรักษาองค์ประกอบให้เย็น
พวกเขาทนต่ออากาศภายนอก (-40 °C ถึง 85 °C) โดยไม่สูญเสียผลงาน ไม่เหมือนกับ FR4 ซึ่งลดลงในอากาศหนาวมาก

เมื่อจะติดกับ FR4 PCBs
FR4 ยังคงเป็นตัวเลือกที่ดีกว่าในแอพลิเคชั่นที่ความร้อนและพลังงานน้อยที่สุด หรือค่าใช้จ่ายเป็นตัวขับเคลื่อนหลัก:

1อิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภคพลังงานต่ํา
อุปกรณ์ที่มีส่วนประกอบเล็กๆ และการผลิตความร้อนที่ต่ํา สามารถใช้ FR4 ได้ดี
โทรศัพท์สมาร์ทโฟนและแท็บเล็ต: โปรเซสเซอร์และเซ็นเซอร์ใช้ < 5W สร้างความร้อนน้อย ความแข็งแรงของ FR4 คุ้มกันองค์ประกอบที่อ่อนแอ
เครื่องสวมใส่: นาฬิกาสมาร์ทและเครื่องติดตามความฟิตเนสใช้ชิปพลังงานต่ํา (<2W) ที่ความร้อนไม่เป็นปัญหา ราคาต่ําของ FR4 ทําให้ราคาของอุปกรณ์สามารถแข่งขันได้
อุปกรณ์ใช้ในบ้าน: แผ่นควบคุมไมโครเวฟและบอร์ดวงจรทีวีทํางานที่ < 10W ทําให้ความจํากัดทางความร้อนของ FR4 ไมเกี่ยวข้อง

2. เซ็นเซอร์และเครื่องควบคุมความดันต่ํา
เซนเซอร์และระบบความดันต่ําไม่เครียด FR4 หน่วยความร้อน:
เซ็นเซอร์อุณหภูมิ / ความชื้น: ใช้ < 1W โดยไม่มีความเสี่ยงของการอุ่นเกิน FR4
การอัตโนมัติอาคาร: เครื่องควบคุมอุณหภูมิและแสงทํางานที่ 512V ทําให้ความคุ้มค่าของ FR4 เป็นสิ่งสําคัญสําหรับการติดตั้งขนาดใหญ่

3. การผลิตปริมาณสูงและประหยัด
สําหรับผู้ผลิตที่ผลิต 100,000+ หน่วย, ราคาต่ํากว่า FR4 ลงรวม:
สเปคเกอร์สมาร์ทที่มี FR4 PCB ราคา
2-3 หน่วยน้อยกว่า 1 หน่วยที่มี PCB แอลูมิเนียมฐาน สําหรับ 1 ล้านหน่วย
สองสามล้าน
การมีอยู่อย่างกว้างขวางของ FR4 และกระบวนการการผลิตที่พัฒนาได้ลดเวลานําไปถึง 1-2 สัปดาห์เมื่อเทียบกับ PCB อลูมิเนียม

ผลงานในโลกจริง: การศึกษากรณี

1. LED Streetlight รีทรอฟท์
เมืองหนึ่งเปลี่ยนไฟฟ้า LED ราคา FR4 ลงในราคาอัลลูมิเนียม
ผลลัพธ์: อุณหภูมิของจุดเชื่อม LED ลดลงจาก 110 °C เป็น 75 °C
ผลลัพธ์: อายุการใช้งานเพิ่มขึ้นจาก 3 ปีเป็น 7 ปี ลดต้นทุนการบํารุงรักษา 60%

2ระบบจัดการแบตเตอรี่ EV
ผู้ผลิตรถยนต์เปลี่ยนจาก FR4 เป็น PCB อลูมิเนียมในโมดูล BMS
ผลลัพธ์: ความล้มเหลวที่เกี่ยวข้องกับความร้อนลดลง 70% ในการทดสอบอุณหภูมิสูงสุด (-40 °C ถึง 85 °C)
ผลกระทบ: อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ขยายไป 2 ปี เพิ่มความมั่นใจของผู้บริโภค

3การผลิตรูเตอร์ผู้บริโภค
บริษัทเทคโนโลยีหนึ่งเลือก FR4 สําหรับรูเตอร์พลังงานต่ํา
ผลลัพธ์: ไม่มีปัญหาด้านการทํางาน (รูเตอร์ใช้ 8W แม็กซ์)
ผลลัพธ์: ประหยัด 0.75 บาทต่อยูนิต รวมทั้งสิ้น 750,000 บาทในการใช้งาน 1 ล้านยูนิต

ปัจจัยสําคัญที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือก
การเลือกระหว่างพื้นฐานอลูมิเนียมและ FR4 PCB ขึ้นอยู่กับคําถามสามประการ

1ความหนาแน่นของพลังงานคืออะไร?
พลังงานสูง (> 10W): PCB ฐานอลูมิเนียมป้องกันการอุ่นเกิน
พลังงานต่ํา (< 5W): FR4 เพียงพอและถูกกว่า

2สิ่งใดคือสิ่งแวดล้อมการทํางาน?
อุณหภูมิ / การสั่นสะเทือนที่สูงสุด: PCB ฐานอลูมิเนียมทนต่อสภาพที่ยากลําบาก
สภาพแวดล้อมที่ควบคุมได้ (20-30 °C): FR4 ใช้งานได้ดีและประหยัดค่าใช้จ่าย

3งบประมาณและปริมาณเท่าไร?
ปริมาณน้อย/ความน่าเชื่อถือสูง ฐานอลูมิเนียมอ้างอิงค่าใช้จ่ายสูงกว่า
ปริมาณสูง/ต้นทุนต่ํา: ประหยัดขนาดของ FR4 ชนะ

ความ คิด ที่ ไม่ ถูก ต้อง
1ความคิดลือ: PCB ที่มีฐานอลูมิเนียมนั้นมีความทนทานที่ดีกว่าเสมอ
ความจริง: ความแข็งแรงของ FR4 ทําให้มันทนต่อการกระแทกทางกายภาพ (เช่น การตก) ในอุปกรณ์ผู้บริโภคมากขึ้น
2ความคิดเท็จ: FR4 ไม่สามารถรับมือความร้อนได้
ความจริง: FR4 ใช้ได้กับอุปกรณ์ที่มีพลังงานต่ํา; ใช้อุปกรณ์ที่มีพลังงานสูงเท่านั้นที่ต้องการอะลูมิเนียม
3ความคิดเท็จ: PCB ฐานอลูมิเนียมแพงเกินไปสําหรับโครงการขนาดเล็ก
ความจริง: สําหรับต้นแบบหรือการออกแบบขนาดเล็กและพลังงานสูง (เช่น 100 ยูนิต) ผลประโยชน์จากการทํางานมากกว่าต้นทุน

สอบถาม
ถาม: PCB ที่มีพื้นฐานจากอลูมิเนียมสามารถแทน FR4 ได้ในทุกสาขาใช้งาน?
ตอบ: เปล่า สําหรับการออกแบบที่ใช้พลังงานต่ําและมีความรู้สึกต่อค่าใช้จ่าย FR4 เป็นที่ใช้ได้มากขึ้น PCB ฐานอะลูมิเนียมจําเป็นเท่านั้นเมื่อความร้อนเป็นปัจจัยสําคัญ

คําถาม: PCB ฐานอลูมิเนียมสามารถใช้กับกระบวนการผลิตมาตรฐานได้หรือไม่?
ตอบ: ครับ พวก เขา ใช้ อุปกรณ์ ทํา กลีบ กลีบ กลีบ กลีบ ที่ เหมือน FR4 แม้ ว่า ร้าน บาง ร้าน จะ จ่าย ค่า เพิ่ม สําหรับ การ รับมือ หัวโลหะ ครับ

ถาม: พลังงานสูงสุดของ PCB FR4 คือเท่าไหร่?
ตอบ: FR4 ใช้ได้สําหรับองค์ประกอบที่สูงถึง 10W หากมีการเพิ่มระบายความร้อน. นอกเหนือจากนั้น, PCB ฐานอลูมิเนียมถูกแนะนําเพื่อหลีกเลี่ยงการอุ่นเกิน.

ถาม: PCB ฐานอลูมิเนียมต้องการการพิจารณาการออกแบบพิเศษ?
ตอบ: ครับ ความสามารถในการนําความร้อนของพวกเขา ทําให้รอยสามารถแคบลง (เนื่องจากความร้อนแพร่กระจายได้ดีขึ้น) และพวกเขาจับคู่ได้ดีกับระบายความร้อนสําหรับพลังงานสูงสุด

ถาม: มีทางกลางระหว่างพื้นฐานอลูมิเนียมกับ FR4 ไหม?
ตอบ: ใช่ PCB ที่มีฐานทองแดงมีความสามารถในการนําไฟที่ดีกว่าอลูมิเนียม (20 30 W / m · K) แต่มีราคาสูงกว่า 2 3 เท่า ทําให้มันเหมาะสําหรับการใช้งานด้านอากาศหรือทหาร

สรุป
PCB ฐานอลูมิเนียมและ FR4 มีบทบาทที่แตกต่างกันในอิเล็กทรอนิกส์ PCB ฐานอลูมิเนียมเป็นทางเลือกที่ชัดเจนสําหรับการใช้งานที่มีความสามารถสูง, ร้อนใจต่อความร้อน, หรือสภาพแวดล้อมที่รุนแรงเมื่อความสามารถในการนําไฟฟ้าและความทนทานของพวกมัน ยุติธรรมค่าใช้จ่ายสูงขึ้น. FR4 ยังคงไม่มีใครสามารถเอาชนะมันได้ สําหรับการออกแบบที่ใช้พลังงานต่ํา, ราคาที่敏感, หรือปริมาณสูง, ที่ราคาถูกและความน่าเชื่อถือของมันส่องแสงคุณจะปรับปรุงผลงานให้ดีที่สุด, ลดต้นทุน และรับประกันความน่าเชื่อถือในระยะยาว