Теплопроводные материалы в электронных модулях

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 MSC-Polymer, которая поставляет на российский рынок материалы — высококачественные и класса Hi-End. Для решения проблемы теплоотвода MSCPolymer предлагает композиционный материал COBRITHERM (рис. 1).

Материал COBRITHERM 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 COBRITHERM, — в качестве демонстрации его возможностей.

COBRITHERM обрабатывается подобно фольгированным стеклотекстолитам типа FR-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.

COBRITHERM представляет собой слоистый материал: алюминиевая подложка, покрытая электролитической медью, между которыми находится керамическая прослойка. Производство такого соединения выполняется по специальной технологии горячего прессования.

Конструкция COBRITHERM

На рис. 3 представлена эволюция конструкции материала COBRITHERM.

Усовершенствованная конструкция COBRITHERM имеет улучшенные характеристики по теплопроводности, термостойкости, пробивному напряжению и прочности на отрыв.

Медь

Первый слой — это электролитически осажденная медь (HTE) толщиной 18–210 мкм. Такой тип фольги, как известно, предпочтительнее, так как имеет видоизмененную структуру меди, более приспособленную к отслаиванию от диэлектрика. Рисунок печатной платы на медном слое формируется традиционно — методом фотолитографии (негативная технология).

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 токопроводящим рисунком платы и адгезивным подслоем (керамика) способствует более полной теплопередаче и рассеиванию тепла на металлическом основании. В COBRITHERM используется алюминий марки 5052 H34, который обладает оптимальной теплопроводностью, прочностью, что позволяет обрабатывать его на станках с ЧПУ (традиционным способом) для получения сложного фасонного контура ПП. В продаже есть COBRITHERM на основе сплава алюминия 6082 T6. Сравнительные характеристики сплавов представлены в таблице 2.

Стандартная толщина алюминиевой подложки: 1; 1,5; 2; 3 мм.

COBRITHERM 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 COBRITHERM 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 высоконагруженных 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.