รูฉนวน PCB อะลูมิเนียม: กระบวนการผลิต, เคล็ดลับการออกแบบ และผลกระทบต่อประสิทธิภาพ

พีซีบีอลอลูมิเนียม (พีซีบีโลหะ) กลายเป็นสิ่งที่จําเป็นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พลังงานสูง จากแสง LED ไปยังโมดูลพลังงานรถยนต์ลักษณะที่สําคัญ แต่มักถูกมองข้ามของแผ่นเหล่านี้คือหลุมประกอบความละเอียดการออกแบบและการผลิตหลุมประกอบความละเอียด มีผลต่อความน่าเชื่อถือ ความปลอดภัย และค่าใช้จ่ายของ PCB อลูมิเนียมโดยตรงคู่มือนี้พิจารณาบทบาทของหลุมประกอบ, เปรียบเทียบวิธีการผลิต และให้บริการแนวปฏิบัติที่ดีที่สุดเพื่อให้ความสามารถในการทํางานที่ดีที่สุดในแอปพลิเคชั่นพลังงานสูง

ช่อง หลอม ใน PCB อลูมิเนียม คือ อะไร?
ช่องแยก (ยังเรียกว่า ช่องแยก) หรือ ช่องปลดร้อน คือช่องเปิดที่เจาะผ่านพื้นฐานอลูมิเนียมและชั้นไฟฟ้าตัดของ PCB อัลลูมิเนียมสร้างอุปกรณ์ป้องกันระหว่างรอยทองแดงที่นําไฟและแกนอลูมิเนียมหน้าที่หลักของพวกเขาประกอบด้วย:
a. การแยกไฟฟ้า: ป้องกันการสัมผัสตรงระหว่างชั้นทองแดง (กระแสบรรทุก) และสับสราตอลูมิเนียม (ที่สามารถทําหน้าที่เป็นพื้นดินหรือระบายความร้อน) การกําจัดวงจรสั้น
b. การจัดการทางความร้อน: ยอมให้มีการถ่ายทอดความร้อนที่ควบคุมจากรอยทองแดงไปยังแกนอลูมิเนียม โดยยังคงการแยกทางไฟฟ้า
c. การติดตั้งส่วนประกอบ: การให้พื้นที่สําหรับส่วนประกอบรู, สกรู, หรือเครื่องเชื่อมที่เจาะ board
ไม่เหมือนกับ PCB แบบมาตรฐาน ที่มีช่องว่างเพียงแค่แยกชั้นทองแดงช่องว่างในการแยก PCB อลูมิเนียมยังต้องเจาะเข้าไปในแกนโลหะเพิ่มความซับซ้อนในการออกแบบและการผลิต

ปริมาตรการออกแบบหลักสําหรับหลุมแยก
ผลประกอบของหลุมกันความร้อนขึ้นอยู่กับปริมาตรการออกแบบสําคัญสามตัว ซึ่งแต่ละตัวสมดุลความปลอดภัยทางไฟฟ้าและประสิทธิภาพทางความร้อน
1. กว้าง
กว้างขั้นต่ํา: กําหนดโดยความหนาของชั้นดีเอเล็คทริกและสับสราตอลูมิเนียม สําหรับแกนอลูมิเนียม 1.0 มม.0 มม เพื่อให้แน่ใจว่าการแยกทั้งหมด.
ระยะทางเชิงปฏิบัติการ: 0.8mm ถึง 5.0mm, โดยมีกว้างใหญ่กว่าที่ใช้สําหรับการติดตั้งส่วนประกอบหรือสกรูภาระหนัก
ผลลัพธ์: กว้างขนาดเล็กเกินไปจะทําให้เกิดการเสียไฟฟ้า (การตัดวงจรสั้น) ขณะที่หลุมขนาดใหญ่เกินไปจะลดความสามารถในการนําไฟฟ้าด้วยการจํากัดการสัมผัสระหว่างทองแดงและอลูมิเนียม

2. การครอบคลุมชั้นไฟฟ้า
ชั้นแบบดียิเลคทริก (มักเป็นเอพอกซี่หรือโพลีไมด์) ติดช่องแยกประกอบกับอุปสรรคไฟฟ้า
ความหนา: 25 ‰ 100μm, โดยมีชั้นหนากว่า (75 ‰ 100μm) ใช้สําหรับการใช้งานความดันสูง (100V +)
ความเหมือนกัน: ต้องครอบคลุมผนังหลุมทั้งหมดโดยไม่มีช่องว่าง, หลุมสกัด, หรือการผ่อนผัน

3ระยะห่างจากรอยทองแดง
หลุมกันไฟต้องห่างจากรอยทองแดงอย่างเพียงพอ เพื่อป้องกันการหลุดไฟฟ้า
ระยะทางขั้นต่ํา: 0.5 ∼ 1.0 มม. จากขอบของพัดทองแดง ขึ้นอยู่กับความดันการทํางาน (ความดันที่สูงกว่าต้องการช่องว่างที่ใหญ่กว่า)
เหตุผล: ป้องกันการติดตาม (การสร้างเส้นทางการนําไฟ) ติดกับพื้นผิว dielectric เนื่องจากฝุ่น, ความชื้น, หรือความเครียดความแรงกด.

กระบวนการผลิตสําหรับหลุมปิด PCB อลูมิเนียม
การสร้างหลุมกันไฟที่น่าเชื่อถือต้องใช้กระบวนการเฉพาะเจาะเจาะผ่านชั้นอลูมิเนียมและแผ่นดียิเลคทริก โดยยังคงรักษาความสมบูรณ์แบบของดียิเลคทริก
1การเจาะกล
การเจาะกลไกใช้เครื่องเจาะคาร์ไบด์หรือเพชรเพื่อเจาะสับสราทอลูมิเนียมและชั้นไฟฟ้า
ขั้นตอนกระบวนการ:
a. ปิด PCB อลูมิเนียมไว้กับเครื่องติดตั้งที่แข็งแรงเพื่อป้องกันการบิด
b. ใช้เครื่องเจาะ CNC ที่มีความเร็วแปรเปลี่ยน (3,000~10,000 RPM) เพื่อหลีกเลี่ยงการเจาะ
c. การเจาะรูด้วยแปรงหรือเครื่องเจาะเคมีเพื่อกําจัดเศษอะลูมิเนียมและทองแดง
d. ทําความสะอาดรูเพื่อกําจัดเศษขยะที่อาจเสี่ยงต่อการผูกพัน dielectric

ข้อดี:
a. ค่าใช้จ่ายต่ําสําหรับการผลิตปริมาณใหญ่ (10,000 หน่วยกว่า)
b. เหมาะสําหรับกว้าง ≥ 0.8 มม.
c. เหมาะสมกับสายการผลิต PCB มาตรฐาน

จํากัด:
a.ความเสี่ยงของความเสียหายทางไฟฟ้า (แตกหรือบาง) เนื่องจากแรงดันในการเจาะ
b. ความแม่นยําที่ไม่ดีสําหรับกว้างขนาดเล็ก (<0.8mm)
c. อัลลูมิเนียม burrs ต้องการการ deburring อย่างละเอียดเพื่อป้องกัน short circuit.

2. การเจาะเลเซอร์
การเจาะด้วยเลเซอร์ใช้เลเซอร์ UV หรือ CO2 ที่มีพลังสูง เพื่อทําให้วัสดุระเหย โดยสร้างรูที่แม่นยํา โดยไม่ต้องสัมผัสกับเครื่องกล
ขั้นตอนกระบวนการ:
a. ใช้ข้อมูลการออกแบบที่ได้รับการช่วยเหลือจากคอมพิวเตอร์ (CAD) เพื่อโปรแกรมเส้นทางเลเซอร์
b. เลเซอร์ตัดผืนอะลูมิเนียมก่อน, แล้วชั้น dielectric (การปรับกําลังเพื่อหลีกเลี่ยงการเผาไหม้ dielectric)
c. หลังการประมวลผลด้วยเลเซอร์พลังงานต่ําเพื่อทําให้ผนังรูเรียบ

ข้อดี:
a. ความแม่นยําสูง (กว้างขนาดเล็กเพียง 0.2 mm กับความละเอียด ± 0.01 mm)
b. ไม่ใช้การบดลอก ลดขั้นตอนหลังการแปรรูป
c. เหมาะสําหรับรูปแบบที่ซับซ้อนหรือชุดเล็ก

จํากัด:
a. ค่าใช้จ่ายสูงกว่าการเจาะเครื่องกล (แพงกว่า 2-3 เท่า)
b. การผ่านที่ช้าสําหรับรูใหญ่ (> 3.0 มม.)

3การเจาะ (สําหรับรูใหญ่)
การเจาะใช้เครื่องเจาะเหล็กที่แข็งแรงเพื่อตัดรูขนาดใหญ่ (≥5.0 มม.) ใน PCB อลูมิเนียม, ซึ่งเป็นเรื่องปกติในโมดูลพลังงานอุตสาหกรรม.
ขั้นตอนกระบวนการ:
a. สะดวก PCB กับเจาะ die โดยใช้เครื่องหมาย fiducial.
b. ใช้แรงดันไฮดรอลิก (1050 ตัน) เพื่อตัดอะลูมิเนียมและไดเอเลคทริก
c.Deburr และทําความสะอาดขอบรู

ข้อดี:
a.วิธีที่รวดเร็วที่สุดสําหรับรูใหญ่ (100 +รูต่อนาที)
b. ค่าใช้จ่ายต่ําสําหรับการใช้งานขนาดใหญ่และกว้าง

จํากัด:
a.เหมาะสําหรับรู ≥5.0mm เท่านั้น
b.ความเสี่ยงของการล้างไฟฟ้าใกล้ขอบรูถ้าแรงดันถูกใช้ผิด

วิเคราะห์เปรียบเทียบ: วิธีการผลิต

ความท้าทายทั่วไปในการผลิตหลุมประกอบ
แม้กระนั้นด้วยกระบวนการที่ก้าวหน้า การผลิตหลุมกันความร้อนต้องเผชิญกับปัญหาหลักสามอย่าง
1ความเสียหายทางไฟฟ้า
สาเหตุ: ความร้อนมากเกินไป (การเจาะด้วยเลเซอร์) หรือความดัน (การเจาะ / เจาะด้วยเครื่องกล) อาจทําให้ชั้นไฟฟ้าที่เคลือบรูแตกหรือบาง
ผลลัพธ์: สร้างจุดอ่อนที่ความกระชับกระชับกระแทกหรือวงจรสั้นอาจเกิดขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานความกระชับกระชับกระชับสูง (ตัวอย่างเช่น ไดรฟ์ LED ด้วยการเข้า 220V)
การแก้ไข: ปรับปรุงพลังงานเลเซอร์ (10 ราคา 30W สําหรับเลเซอร์ UV) หรือความเร็วการเจาะ (5,000 ราคา 8,000 รปม) เพื่อลดความเครียดแบบดิจิเล็คทริกให้น้อยที่สุด

2อลูมิเนียม Burrs
สาเหตุ: การเจาะด้วยเครื่องยนต์ อาจทิ้งชิ้นส่วนอะลูมิเนียมที่คม (บาร์) ที่เจาะไดเอเลคทริก ทําให้เกิดการเจาะสั้น
ผลกระทบ: ความผิดพลาดในสนามใน 5~10% ของ PCB หากไม่แก้ไข โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่ชื้น
วิธีแก้ไข: ใช้เครื่องเจาะที่มีปลายเพชร และการถอนผิวด้วยสารเคมีหลังการเจาะ (เช่น น้ํายาซาเดียมไฮโดรออกไซด์) เพื่อกําจัดรอยเจาะ

3. การสูญเสียความสามารถในการนําความร้อน
สาเหตุ: หลุม ปกปิด ขนาดใหญ่ ทํา ให้พื้นที่ ติดต่อ ระหว่าง แผ่น ทองแดง กับ แผ่น อลูมิเนียม ลด ความร้อน
ผลกระทบ: อุณหภูมิของจุดเชื่อม LED เพิ่มขึ้น 10 ~ 15 °C ลดอายุการใช้งาน 20 ~ 30%
แก้ไข: ออกแบบรูที่มีเส้นผ่าตัดที่จําเป็นน้อยที่สุด และใช้ช่องทางความร้อนติดกับรูเพื่อนําการไหลของความร้อนไปทางอื่น

การ ใช้ งาน: ที่ ที่ ช่อง หนอน หนอน มี ความ สําคัญ มาก ที่สุด
หลุมกันความร้อนมีความสําคัญในแอพพลิเคชั่นที่ความปลอดภัยทางไฟฟ้าและผลงานทางความร้อนมีความสําคัญเท่ากัน
1. ไฟ LED พลังงานสูง
ความท้าทาย: พีซีบี LED ใช้งานในระดับ 10-100 วัตต์ ซึ่งต้องการทั้งการแยกแยก (เพื่อป้องกันการกระแทก) และการถ่ายทอดความร้อนที่มีประสิทธิภาพ (เพื่อป้องกันการเสื่อมเสื่อมของลูเมน)
การออกแบบหลุมประกอบความละเอียด: หลุมขนาด 1.0-2.0 มม. โดยมีชั้นแบบดียิเลคทริก 75μm ห่างจากพัดทองแดง 1.0 มม.
ผลลัพธ์: รับประกันความโดดเดี่ยว 2kV โดยยังคงความต้านทานทางความร้อน < 1 ° C / W, ขยายอายุการใช้งาน LED เป็น 50,000 + ชั่วโมง

2. โมดูลพลังงานรถยนต์
ความท้าทาย: ระบบบริหารแบตเตอรี่ EV (BMS) จัดการ 400-800 วอลต์ ซึ่งต้องการความแข็งแกร่งในการกันความร้อนเพื่อป้องกันการขาดไฟ
การออกแบบหลุมแยก: หลุมขนาด 3.0×5.0 มิลลิเมตรที่มีชั้นไฟฟ้า 100μm ทดสอบตามมาตรฐาน IPC-2221 สําหรับความทนทานความกระชับกําลัง
ผลลัพธ์: ทนทาน 1000 + วงจรความร้อน (-40 °C ถึง 125 °C) โดยไม่ขาดไฟฟ้า

3เครื่องควบคุมมอเตอร์อุตสาหกรรม
ความท้าทาย: เครื่องควบคุมเปลี่ยนกระแสไฟฟ้าสูง (1050A) สร้างความร้อนที่ต้องไปถึงอุปกรณ์ระบายความร้อนจากอลูมิเนียม
การออกแบบหลุมกันความร้อน: กว้างขั้นต่ําของหลุม (0.8 ∼ 1.2 มม.) โดยมีช่องทางความร้อน (0.3 มม.) ล้อมรอบหลุมกันความร้อนแต่ละหลุม เพื่อนําความร้อนไปเปลี่ยนทาง
ผลลัพธ์: ลดความต้านทานทางความร้อน 30% เมื่อเทียบกับการออกแบบที่มีรูใหญ่ๆ

แนวปฏิบัติที่ดีที่สุดสําหรับการออกแบบและผลิตหลุมแยก
เพื่อให้มีความน่าเชื่อถือและผลงานสูงสุด ติดตามแนวทางดังนี้:
1. การออกแบบสําหรับแรงดันและพลังงาน
ระดับความแรงดัน: ใช้ชั้นแบบดียิเลคทริกหนากว่า (75-100μm) สําหรับการใช้งาน > 100V; 25-50μm เพียงพอสําหรับ < 50V
การจัดการกับกระแสไฟฟ้า: หลีกเลี่ยงการวางหลุมกันไฟฟ้าภายใต้รอยกระแสไฟฟ้าสูง (> 5A) ใช้ช่องทางความร้อนใกล้เคียงเพื่อระบายความร้อน

2เลือกวิธีการผลิตที่เหมาะสม
สําหรับรูเล็ก (<1.0mm) หรือรูปแบบที่ซับซ้อน: การเจาะด้วยเลเซอร์
สําหรับหลุมขนาดกลาง (1.0~5.0 มม.) และหลุมขนาดใหญ่: การเจาะกลไก
สําหรับหลุมขนาดใหญ่ (> 5.0 มม.) และขนาดใหญ่: การเจาะ

3การทดสอบความน่าเชื่อถือ
การทดสอบความตึงเครียด: ใช้ความตึงเครียดการทํางาน 1.5x เป็นเวลา 1 นาที (ต่อ IPC-TM-650 2.5.6.2) เพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีการบุก
การหมุนเวียนทางความร้อน: ทําให้ PCBs อยู่ในอุณหภูมิ -40 °C ถึง 125 °C เป็นเวลา 1,000 จันทร์, จากนั้นตรวจสอบความแตกของไฟฟ้าดิบด้วยรังสี X.
การทดสอบความชื้น: ติดต่อ 85% RH ที่ 85 °C เป็นเวลา 1,000 ชั่วโมง, ต่อมามีการวัดความต้านทานความละเอียด (> 109Ω)

4. ปรับปรุงค่าใช้จ่าย
มาตรฐานกว้างหลุมเพื่อลดการเปลี่ยนแปลงเครื่องมือ (ตัวอย่างเช่น ใช้หลุม 1.0mm และ 3.0mm ระหว่างการออกแบบ)
ผสมผสานการเจาะเลเซอร์สําหรับรูเล็ก ๆ กับการเจาะกลสําหรับรูใหญ่ ๆ เพื่อสมดุลความแม่นยําและต้นทุน

แนวโน้มในอนาคตในการผลิตหลุมประกอบ
ความก้าวหน้าในวัสดุและเทคโนโลยี กําลังปรับปรุงผลการทํางานของหลุมกันไฟ:
ไดเอเลคทริกที่เคลือบด้วยนาโน: ชั้นเอโป็กซี่ใหม่ที่มีอนุภาคนาโนเซรามิก (Al2O3) เพิ่มความแข็งแรงของไดเอเลคทริกถึง 40% ทําให้ชั้นบาง (50μm) สามารถจัดการกับ 2kV ได้
AI-Driven Drilling: อัลกอริทึมการเรียนรู้เครื่องยนต์ปรับปรุงพลังงานเลเซอร์และความเร็วในการเจาะในเวลาจริง ลดความเสียหายจากไฟฟ้าแบบดียิเลคทริกถึง 25%
การพิมพ์ 3 มิติ: กระบวนการทดลองพิมพ์แผ่นผิวแบบดียิเลคทริกโดยตรงเข้าไปในหลุม ทําให้หมดช่องว่างและปรับปรุงความเหมือนกัน

FAQ
ถาม: กระแสไฟฟ้าสูงสุดที่หลุมกันไฟทนทานได้คืออะไร?
ตอบ: กับชั้นแบบดียิเลคทริก 100μm, หลุมประกอบกันประกอบกันโดยทั่วไปจัดการกับ 2 5kV. วัสดุเฉพาะ (เช่น, dielectrics เติมเซรามิก) สามารถขยายขนาดนี้ไปถึง 10kV +

Q: สามารถใช้ช่องแยกได้กับองค์ประกอบที่ติดอยู่บนพื้นผิว (SMD)
A: ใช่ แต่พวกเขาต้องวางห่างจาก SMD Pad อย่างน้อย 0.5mm เพื่อหลีกเลี่ยงการเชื่อมต่อของ solder ระหว่างส่วนประกอบและพื้นฐานอลูมิเนียม

คําถาม: หลุมกันความร้อนมีผลต่อความต้านทานทางความร้อนอย่างไร?

ตอบ: หุ้นขนาด 1 มิลลิเมตรเพิ่มความต้านทานความร้อนขึ้น ~ 0.1 °C / W. การใช้ช่องทางความร้อนติดกับรูสามารถชําระค่านี้ได้ถึง 50%

ถาม: มีมาตรฐานสิ่งแวดล้อมสําหรับหลุมแยกกันไหม?
A: ใช่, IPC-2221 (การออกแบบ PCB ทั่วไป) และ IPC-2223 (PCB ที่ยืดหยุ่น) ระบุระยะห่างการแยกความละเอียดขั้นต่ําและความต้องการแบบไฟฟ้าสําหรับความปลอดภัย

สรุป
หลุมปิดเป็นองค์ประกอบที่สําคัญ แต่ถูกประเมินน้อยของ PCBs อลูมิเนียม, การสมดุลความปลอดภัยไฟฟ้าและผลงานความร้อนในแอปพลิเคชั่นพลังงานสูงความหนาของไฟ dielectric, และวิธีการผลิต ไม่ว่าจะเป็นการเจาะกลไกเพื่อค่าใช้จ่าย, การเจาะเลเซอร์เพื่อความแม่นยํา, หรือการเจาะสําหรับรูใหญ่และเครื่องควบคุมอุตสาหกรรม.
ในขณะที่อิเล็กทรอนิกส์ยังคงผลักดันไปสู่ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น การออกแบบหลุมประกอบความละเอียดจะเพิ่มขึ้นการลงทุนในการผลิตที่แม่นยําและการทดสอบอย่างเข้มงวด, ประสิทธิภาพและอายุยืนที่จําเป็นในอิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัย
หลักข้อสรุป: ช่องแยกกันไม่ได้เป็นแค่ช่องเปิด มันคืออุปสรรคที่ทําให้ PCB อลูมิเนียมสามารถทํางานได้อย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพในสภาพแวดล้อมที่มีพลังงานสูงการ ออกแบบ และ การ ผลิต ที่ ถูก ต้อง เป็น สิ่ง สําคัญ เพื่อ ให้ เปิด พลัง พลัง ของ มัน อย่าง เต็ม ที่.