Теплоотводящие печатные платы

При изготовлении светодиодных светильников и других электротехнических устройств повышенной мощности сейчас широко применяются теплоотводящие печатные платы (ПП). Они массово производятся во многих странах, а китайские изделия встречаются на рынке наиболее часто. Из этой статьи вы узнаете об их особенностях и устройстве.

Причины появления теплоотводящих плат

Одним из трендов при создании различных радио- и электротехнических устройств является уменьшение их габаритов, миниатюризация. В небольшой по объему корпус устанавливается как можно большее количество элементов схемы.

Без печатной платы такое решение вообще невозможно, только она позволяет произвести максимально плотную установку элементов. Однако для светотехнических устройств, обладающих мощностью в десятки ватт традиционный материал – фольгированный текстолит, непригоден.

Потому что электронные элементы во время своей работы выделяют слишком много тепла. Если его не отводить, то это приведет к расплавлению паяных контактов и разрушению самой основы платы. Кроме того, излишний нагрев приводит к деградации полупроводниковых источников света – светодиодов, уменьшению интенсивности их свечения и быстрому выходу из строя.

Конструкция теплоотводящих ПП

Использующиеся в осветительной технике теплоотводящие ПП представляют собой сложное высокотехнологичное изделие, состоящее из нескольких слоев:

• Металлической основы.
• Диэлектрика.
• Медной фольги.

Медная фольга традиционно используется для формирования электропроводящих соединений элементов. В процессе производства платы на заготовку с помощью химически стойкого лака наносится компоновочный рисунок. После этого ее протравливают в кислоте (традиционный метод) или выжигают свободные участки лазером, формируя при этом т. н. дорожки и контактные площадки, к которым крепятся элементы схемы.

Металлическая основа

Именно она осуществляет отвод тепла, это основа платы. Решение простое и логичное. Ведь именно металлы обладают повышенной теплопроводностью. Перечислим их в порядке возрастания частоты применения при производстве плат.

• Нержавеющая сталь.
• Медь.
• Алюминий.

Нержавеющая сталь

Ограниченность применения обусловлена не только большой массой, но и невысокой теплопроводностью – 47 Вт/(м*К). Прочность, наоборот, избыточная, что усложняет обработку.

Медь

Лучше всего отводит тепло, этот показатель у нее около 400 Вт/(м*К). Металл мягкий, вязкий, обрабатывать его можно только специальными инструментами. Главный недостаток – высокая стоимость. Применяется в печатных платах ответственных радиоэлектронных и электротехнических устройств, работающих в экстремально сложных условиях.

Алюминий

Легкий теплопроводный металл (220 Вт/(м*К)). Недорог и достаточно прочен, особенно при использовании в виде сплавов. В электротехнической промышленности используются сорта 5052, 6061 и 1100. Последний в ряду – самый чистый, с минимумом легирующих добавок, но у него невысокая прочность и он вязок. Сплав 6061 имеет повышенную коррозионную стойкость, что повлияло на его цену – она самая высокая. Наиболее часто употребляемым для производства плат с отводом тепла является сплав 5052, который и дешев, и прочен, и хорошо обрабатывается. Это компенсирует его невысокую (в ряду аналогов) теплопроводность – 140 Вт/(м*К).

Диэлектрик

Диэлектрическая подложка обеспечивает электрическую прочность платы и предотвращает замыкание соседних токопроводящих дорожек. Расстояние между ними исчисляется долями миллиметра, поэтому удельное сопротивление этого материала играет решающую роль при выборе в качестве элемента платы.

Это синтетические композитные материалы. А также полимеры. Это может быть стеклоткань на эпоксидном связующем (в том числе с добавками для улучшения теплопроводности), полиимид. Основными поставщиками диэлектриков для ПП с теплоотводом в Россию являются китайские компании Ruikai и Totking. Они ориентируются на продукцию США Bergquist, но их модели имеют несколько особенностей.

Платы Ruikai и Totking выпускаются на алюминиевой, медной и нержавеющих основах. Последние применяются там, где нужна высокая магнитная проницаемость.

Для примера в таблице ниже приведены характеристики плат на основе алюминия от компании Totking.

Печатные платы, теплоотвод которых обеспечивается металлической основой, бывают одно- и многослойными. В них для лучшей термической стабильности сделаны сквозные металлизированные отверстия, соединяющие подложки и увеличивающие площадь рассеивания.

Теплоотводящие печатные платы используются не только в осветительной технике. Они находят применение в преобразователях тока, системах управления электродвигателями (электронный тормоз), сварочных инверторах и других приборах, эксплуатация которых сопровождается выделением большого количества тепла.