鋁基板如何提升導熱率
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隨著現代電子產品體積縮小且效能日益強大，散熱管理已成為電子設計中最重要的議題之一。印刷電路板（PCB）擁有各式各樣的芯材與材料。過去我們已經介紹過多種材料，但今天我們將重點放在「金屬基板」（MCPCB）。基礎 PCB 的散熱效能不佳，會導致電子裝置效能下降、壽命縮短，甚至可能導致災難性的失效。
與傳統的 FR-4 板材相比，鋁基板具有更好的導熱率，是一種高效的替代方案。本文將列出其不同的特性，並深入探討鋁基板的結構、優點、應用，以及它們如何提升導熱效能。
什麼是鋁基板？
鋁基板（Aluminum PCB）是一種以金屬為基底的印刷電路板，專為控制電路板中電力電子元件產生的熱量而設計。它使用鋁取代傳統的玻璃纖維（FR-4）作為基礎基板。鋁基板的基本結構如下：
1. 銅電路層：此層的主要功能是為 PCB 上的所有元件提供電氣連接。與標準的覆銅板（1 到 10 盎司）相比，所使用的銅層相對較厚。在為 PCB 詢價時，您可以選擇銅重（Copper Weight）。銅層越厚，其電流負載能力就越高。
2. 介電層（絕緣層）：介電層即為絕緣層，厚度約為 50 至 200 μm。由於它扮演電氣隔離與熱傳導的角色，因此應具有較低的熱阻與較高的電氣信號絕緣性。
3. 金屬基底層（鋁）：鋁基座由鋁基板組成，為 PCB 提供機械強度。但其主要用途是作為熱導體來散發熱量。
4. 鋁基保護膜層：這類薄膜是可選的。它具有保護作用，可防止金屬表面受到不必要的蝕刻與刮傷。
為什麼散熱管理在電子產品中如此重要
在電力轉換器、LED 和汽車電子等電子零件運作期間會產生熱量。如果這些熱量不迅速散發到周圍環境，周邊元件就會受熱。過度的熱量累積會縮短元件壽命並導致焊點疲勞。元件過熱可能會導致其燒毀，進而引燃 PCB 和整個電路。
鋁基板中的導熱效能
1. 鋁卓越的導熱率
透過並排比較兩種基板的特性可以看出：FR-4 的導熱率僅為 0.3 至 0.4 W/mK。另一方面，鋁的導熱率約為 205 W/mK。根據比較，傳統 FR-4 PCB 的熱阻為 5.50 × 10⁻⁴ °C/W，這比鋁基板高出近 30%，導致其散熱效率大幅降低。
2. 介電層的作用
儘管鋁本身具有高導熱率，但位於銅佈線與鋁之間的介電層對熱傳導有極大的幫助。在某些設計中，絕緣層的導熱率介於 1 W/mK 至 10 W/mK 之間。
熱阻公式：
較低的 Rth 值表示導熱效能更好。製造商透過優化介電材料並減少厚度，大幅提升了鋁基板的散熱表現。
鋁基板中的散熱與膨脹：
在熱移除方面，鋁基板的表現優於標準 FR4 PCB。例如：厚度為 1.6 mm 的鋁基板熱阻（TR）為每瓦 2-3 度；而相同厚度的 FR4 PCB 熱阻則在每瓦 22-25 度之間。熱膨脹係數也會因材料而異，由於鋁基板具有良好的散熱能力，因此不會有嚴重的熱脹冷縮問題。
鋁基板與傳統 FR-4 PCB 比較表：
鋁基板的應用
1. LED 照明：鋁基板常用於 LED 燈具和燈泡中，以控制高亮度 LED 產生的熱量。由於 PCB 基座可直接連接到最近的散熱片，因此在所有 LED 燈泡中都能看到它的蹤影。
2. 電力電子：用於功率需求較大或進行電壓/電流轉換的場合。例如：電源供應器、電壓調節器和轉換器。
3. 消費性電子產品：由於電子產品日益縮小，小型散熱片可能不再是最佳選擇。在這種情況下，金屬基板將是首選。消費性電子的應用包括電腦、行動裝置和 LCD 背光。
4. 醫療設備：MRI 掃描儀、手術燈和診斷儀器等精密電子設備必須始終保持在低溫狀態，鋁基板在此發揮關鍵作用。
結論
在元件發熱為主要問題的情況下，我們看到了鋁基板優於傳統方案的幾個原因。隨著對高功率和微型裝置需求的不斷增長，鋁基板已成為散熱管理的標準首選。它們在機械韌性和高導熱率方面均優於 FR4。然而，在電路運作時防止熱量進入還有其他技術，例如主動冷卻技術、散熱管及基本的 CPU 風扇。透過理解熱傳遞原理，工程師可以設計出耐用且高效的電子裝置。
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