Entre los materiales para PCB electrónicos, las PCB de aluminio destacan por su excelente disipación térmica.

Aunque la conductividad térmica del aluminio (aproximadamente 237 W/(m·K)) es inferior a la del cobre (aproximadamente 400 W/(m·K)), su exclusiva estructura compuesta a base de metal (base de aluminio + capa aislante + capa de circuito), combinada con su ligereza, bajo coste y alta maquinabilidad, permite una disipación térmica más eficiente. Además, las PCB de aluminio ofrecen un aislamiento eléctrico fiable y una excelente maquinabilidad.

Esta combinación de disipación térmica eficiente, seguridad eléctrica y fácil maquinabilidad las convierte en la opción ideal para resolver los problemas de disipación térmica de dispositivos electrónicos de alta potencia y alta densidad, convirtiéndolas en una opción popular en el mercado.

Estructura de PCB de aluminio

Analicemos dos estructuras de PCB de aluminio: sustrato de aluminio sándwich de doble cara y sustrato de aluminio de presión mixta de doble cara.

Las PCB de aluminio (PCB con base de aluminio), al ser un laminado revestido de cobre a base de metal de alto rendimiento (MCPCB), presentan una ventaja fundamental: su excelente disipación térmica.

Según la distribución de las capas conductoras del circuito, las PCB se clasifican principalmente en placas de una y dos caras.

Placas de una cara: Emplean una estructura básica de tres capas, compuesta por una capa de circuito (lámina de cobre), una capa aislante y una capa base metálica (placa de aluminio).

Placas de doble cara: Presentan una estructura más compleja, compuesta por una pila simétrica de cinco capas: capa de circuito – capa aislante – capa base metálica (placa de aluminio) – capa aislante – capa de circuito. Este diseño permite el cableado de doble cara, lo que lo hace adecuado para diseños de circuitos de mayor densidad y complejidad, y se encuentra comúnmente en aplicaciones de alta gama.

Configuración y características de cada capa funcional en una PCB de aluminio de una sola cara

1. Capa de circuito

Función y posicionamiento: Como capa conductora del sustrato de aluminio, funciona de forma similar a la capa de revestimiento de cobre de una PCB FR-4 estándar, soportando componentes electrónicos y permitiendo las interconexiones eléctricas.

Construcción y procesamiento: Se suele utilizar lámina de cobre electrolítico (lámina de cobre ED), y el patrón de circuito deseado se forma mediante un proceso de grabado.

Rango de espesores común: De 1 oz (aproximadamente 35 μm) a 10 oz (aproximadamente 280 μm).

Relación con el núcleo: El espesor de la lámina de cobre determina directamente la capacidad de conducción de corriente. Cuanto más gruesa sea la lámina, mayor será la corriente que puede conducir.

Consideraciones para la selección del espesor: Este rango (1 oz – 10 oz) generalmente ofrece un equilibrio óptimo entre los requisitos de conducción de corriente, el rendimiento de disipación de calor, la procesabilidad (como la precisión del grabado) y el costo.

2. Capa Dieléctrica – Capa Técnica del Núcleo

Estado y Función del Núcleo: La capa dieléctrica es un factor decisivo en el rendimiento de los sustratos de aluminio, ya que cumple tres funciones clave:

Aislamiento Eléctrico: Proporciona un aislamiento fiable y de alta resistencia entre la capa del circuito y el sustrato metálico, previniendo cortocircuitos.

Conductividad Térmica Eficiente: Actúa como la principal vía de conducción del calor, transfiriendo eficientemente el calor generado por la capa del circuito al sustrato metálico.

Unión Mecánica: Une firmemente la capa del circuito al sustrato metálico, garantizando la integridad estructural.

Composición del Material: Generalmente está hecha de una matriz polimérica de alto rendimiento (como resina epoxi modificada o poliimida) rellena de polvos cerámicos especiales de alta conductividad térmica (como alúmina, nitruro de boro o nitruro de aluminio). Este diseño de material compuesto es la base de sus propiedades únicas.

Requisitos Clave de Rendimiento:

Baja Resistencia Térmica: Esta es una medida directa de la facilidad con la que el calor puede atravesar una capa y debe mantenerse lo más baja posible.

Alta Conductividad Térmica: La conductividad térmica del propio material (unidad: W/(m·K)) determina directamente la eficiencia general de disipación de calor del sustrato de aluminio. Cuanto mayor sea la conductividad térmica, más rápida y eficiente será la transferencia de calor del dispositivo al sustrato de disipación de calor.

Alta Rigidez Dieléctrica: Debe soportar campos eléctricos intensos sin sufrir rupturas para garantizar la seguridad eléctrica.

Excelentes Propiedades Viscoelásticas: Amortigua eficazmente la tensión termomecánica causada por la diferencia en el coeficiente de expansión térmica (CTE) entre la capa del circuito y la capa base metálica, evitando la delaminación y el agrietamiento.

Estabilidad térmica a largo plazo/Resistencia al envejecimiento: Mantiene un rendimiento estable y resistencia a la degradación en entornos de alta temperatura propios del funcionamiento prolongado del dispositivo.

Impacto en el rendimiento: La conductividad térmica de la capa aislante es crucial.

Cuanto más se reduzca la temperatura de funcionamiento del dispositivo, mayor será la densidad de potencia y la fiabilidad del dispositivo/módulo.

Esto contribuye a un diseño más compacto (tamaño reducido) y a una mayor vida útil.

3. Sustrato metálico

Función y requisitos del núcleo: El sustrato metálico actúa como núcleo de soporte mecánico y canal de disipación térmica final para el sustrato de aluminio. Su requisito más crítico es una excelente conductividad térmica para difundir y disipar eficientemente el calor conducido desde la capa aislante.

Materiales comunes: Se utilizan principalmente aluminio o cobre.

Consideraciones clave para la selección de materiales:

Conductividad térmica: Este es el parámetro clave que determina la eficiencia de disipación térmica (aluminio ≈ 237 W/(m·K), cobre ≈ 400 W/(m·K)).

Coeficiente de expansión térmica (CTE): El CTE debe coincidir lo más posible con la capa del circuito (generalmente cobre) y los componentes montados sobre ella (como chips) para minimizar la tensión térmica y evitar fallos o delaminación en las uniones soldadas.

Propiedades mecánicas: Incluyen la resistencia (resistencia a la flexión y a la deformación) y la dureza (que afecta la procesabilidad y la resistencia al desgaste).

Densidad/Peso: Influye directamente en el peso del producto final (aluminio ≈ 2,7 g/cm³, cobre ≈ 8,9 g/cm³).

Estado de la superficie: La planitud y los tratamientos superficiales (como el aluminio anodizado para mejorar la resistencia a la corrosión, el aislamiento o la adhesión) son cruciales.

Costo: Los costos de material y procesamiento son consideraciones comerciales clave.

Opción principal: Lámina de aleación de aluminio:

Razones de preferencia: Ofrece el mejor equilibrio entre rendimiento general (conductividad térmica, resistencia mecánica y procesabilidad) y costo.

Grados de aleación comunes: Algunos ejemplos son 1060 (aluminio de alta pureza, excelente conductividad térmica), 5052 (excelente resistencia a la corrosión) y 6061 (excelente rendimiento general y alta resistencia).

Opción de alto rendimiento: Lámina de cobre:

Ventaja principal: Conductividad térmica significativamente mejor que la del aluminio (aproximadamente un 70 % superior), lo que proporciona una capacidad excepcional de disipación de calor.

Desventajas principales: Costo significativamente mayor y mayor densidad (peso elevado).

Aplicaciones aplicables: Aplicaciones con requisitos de disipación de calor extremadamente estrictos y donde la relación costo/peso no es una limitación principal.

Procesabilidad: Tanto las placas de aleación de aluminio como las de cobre exhiben una excelente maquinabilidad, lo que las hace fácilmente accesibles para los pasos de posprocesamiento de PCB estándar, como perforación, estampado, corte (cortes en V) y fresado.