原创 金属芯PCB设计与制造基础

金属芯板PCB在消费类产品中不是很常见，但是在工业，航空航天，照明系统，电力电子以及其他要求高可靠性的领域中，它们比比皆是。高功率系统会产生大量热量，并且需要迅速清除热量以防止组件故障。同样，低功率系统可能会暴露在高热量下，并且还需要迅速清除热量以防止损坏电路板和组件。

金属芯PCB设计（包括DFM）遵循许多与FR4上的典型PCB相同的基本设计规则。如果要在上述任何一个领域中设计新产品，则可能需要使用金属芯板来控制温度。在本文中，将简要介绍一下金属芯PCB的结构以及在计划使用金属芯PCB设计之前要考虑的一些重要设计要点。这些板载有特殊的制造要求，但是合适的设计公司可以帮助应对这些要求，并确保PCB可以大规模生产。

金属芯PCB设计的应用

金属芯PCB几乎可以在设备运行时产生大量热量的任何应用中找到自己的位置。这些板不是陶瓷的理想替代品，因为它们是一种成本较低的选择，并且它们提供更高的导热率，可从重要部件中去除热量。在为散热能力强的系统寻找电路板时，它们往往是一个起点。金属芯PCB的一些应用包括：

l LED照明单元：通常在金属芯PCB上制造具有大功率LED的板。这些板可为高功率LED（SMD和通孔）提供坚固的底座，同时将高热量散发到金属芯板中。

l 电源转换和管理：混合动力汽车，工业设备，基站电信设备和市政配电系统都以高功率运行。在这些领域中，金属芯PCB很常见。

l 太阳能设备：太阳能设备需要特别坚固，并在高温以及高直流电压/电流下运行。类似的PCB设计可在地热设施中实施。

l 军用（例如，潜水器，飞机）：金属芯PCB可以快速散热，使电子远离可能位于发动机或排气系统等高热源附近的电子设备。

在许多其他领域，高可靠性和结构刚度也至关重要，这使得金属芯板成为绝佳的选择。一旦开始研究这些板的堆叠和布局要求，如何实际设计它们就变得不那么明显了。可以做多层金属芯板吗？可以双面吗？在制造过程中如何处理过孔？这些都是与金属芯PCB的DFM相关的重要问题。

用于金属芯PCB的DFM

与其他PCB一样，如果要确保成功的制造运行，则需要遵循特定DFM准则。金属芯板所采用的工艺与涉及玻璃编织层压板的典型PCB叠层工艺不同，因此它们倾向于采用不同的DFM规则。下图显示了双面金属芯PCB的典型堆叠。

请注意，该叠层可以从技术上适应为多层板，其中金属芯的每一侧都有多个电介质。或者，您可以使电路板为单面，让金属芯背面暴露。在进行金属芯PCB设计时，以下是需要注意的制造要点：

金属芯接地

PCB上的金属背衬可以像大型接地层或大型散热器一样工作。如果该板需要使用高速/高频电路块，则将背面金属板用作较大的接地层可提供一定的屏蔽。如果在板上使用电源平面，它还可以提供一些平面电容。

此外，金属芯可用作大型散热器，特别是如果裸露在外。当需要将板安装在高热源附近时，后一个方面非常有用。在这种情况下，将顶侧连接到标准电源时，最好不要将其背面接地。这样可以防止接地回路。这还将直接将热量散发到非常大的散热器中，这有助于降低表面温度。

单面板上的孔

孔可以放置在金属芯PCB上，既可以作为安装孔，也可以作为双面板上的标准通孔。如果仅将孔用于在单面板上安装通孔组件，则不应电镀这些孔以防止短路。这是通过在安装孔上钻孔并用不导电的环氧树脂或凝胶填充孔来完成的。然后，将孔堵塞，以便可以在上层进行安装。

双面板上的孔

在双面金属芯PCB中，两侧可能都装有某些组件，并且需要在信号层之间放置电镀过孔。由预钻孔→绝缘填料→再钻孔→电镀工艺来形成电镀通孔，因此在制造中会遇到一些困难。此过程会花费额外的时间并导致额外的成本，但它旨在防止通孔短路。在PCB布局中，最好使用防焊盘来表示通孔周围需要填充绝缘填充材料的区域。确保调整过孔防焊垫的尺寸，以便遵循IPC-2221标准。

DFM在金属芯板PCB设计中的其他方面与标准PCB差别不大，尽管CAD工具并非用于设计这些电路板。电力电子设备前端需要遵循一些小规则，尤其是IPC-2221（爬电和放行规则），以及国防和航空航天的其他标准。