Grundlegendes zu Leiterplatten mit Aluminiumsubstrat: Typen und Vorteile

Leiterplatten (PCBs) sind unverzichtbare Bauteile in nahezu allen elektronischen Geräten. Dieser Leitfaden soll Ihr Verständnis von Leiterplatten vertiefen und stellt Ihnen die verschiedenen Aluminiumsubstrate sowie häufige Probleme beim Kopieren von Leiterplatten vor. Wenn Sie sich für Leiterplatten oder den Inhalt dieses Artikels interessieren, lesen Sie gerne weiter.

Was zeichnet Leiterplatten mit Aluminiumsubstrat aus?

Wir haben bereits die Vor- und Nachteile von Keramik-PCBs besprochen und dabei festgestellt, dass ein Nachteil ihre hohen Kosten und ihre Zerbrechlichkeit sind. Standard-Glasfaser-PCBs haben keine gute Wärmeableitung, während Keramik-PCBs in Umgebungen mit hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit stabil und verformungsbeständig sind, aber teuer sind und hauptsächlich in High-End-Produkten verwendet werden. Wenn Ihr Produkt kein High-End-Produkt ist, wie z. B. großflächige, leistungsstarke LED-Leuchttafeln die eine gute Wärmeableitung erfordern, aber dennoch kostengünstig sind: Gibt es ein Material, das diesen Anforderungen gerecht wird?

Die Antwort ist ja, und hier kommen Aluminiumsubstrat-Leiterplatten ins Spiel. Aluminium, ein Metall mit Leitfähigkeit, scheint eine seltsame Wahl für Leiterplattenmaterial, aber Leiterplatten mit Aluminiumsubstrat bestehen aus drei Schichten: Kupferfolie, einer Isolierschicht und einer Metallaluminiumschicht. Da es eine Isolierschicht gibt, können für die Metallschicht andere Materialien als Aluminium verwendet werden? Materialien wie Kupfer, Edelstahl, Eisen, Siliziumstahl usw.? Bei der Auswahl des Metallsubstrats müssen Faktoren wie Wärmeausdehnungskoeffizient, Wärmeleitfähigkeit, Festigkeit, Härte, Gewicht, Oberflächenzustand und Kosten berücksichtigt werden.

Im Allgemeinen ist Aluminium angesichts der Kosten und der technischen Leistung die ideale Wahl. Übliche Optionen für Aluminiumplatinen sind 6061, 5052, 1060 usw. Wenn höhere Anforderungen an die Wärmeleitfähigkeit, mechanische Leistung, elektrische Leistung und andere besondere Eigenschaften gestellt werden, können auch Kupfer, Edelstahl, Eisen und Siliziumstahl verwendet werden.

Bei LED-Beleuchtungsprodukten ist es üblich, dass Leiterplatten mit Aluminiumsubstrat zwei Seiten haben: eine weiße Seite zum Löten von LED-Stiften und die andere Seite ist naturaluminiumfarben und typischerweise mit Wärmeleitpaste beschichtet, um den wärmeleitenden Teil zu kontaktieren. Sie werden hauptsächlich in LED-Leuchten, Audiogeräten, Stromversorgungsgeräten usw. verwendet, wobei der Hauptvorteil in einer schnellen Wärmeleitung und einer hervorragenden Wärmeableitungsleistung liegt.

Im Vergleich zu traditionell FR-4, Leiterplatten mit Aluminiumsubstrat können den Wärmewiderstand minimieren und bieten eine hervorragende Wärmeleitung; im Vergleich zu Keramiksubstraten verfügen sie über hervorragende mechanische Eigenschaften.

 Arten von PCB-Aluminiumsubstraten

1.Flexible Aluminiumsubstrate: Eine der neuesten Entwicklungen bei IMS-Materialien sind flexible Dielektrika. Diese Materialien bieten eine hervorragende elektrische Isolierung, Flexibilität und Wärmeleitfähigkeit. Wenn sie auf Materialien wie 5754 oder ähnliches flexibles Aluminium aufgetragen werden, können sie in verschiedene Formen und Winkel gebracht werden, sodass keine teuren Vorrichtungen, Kabel und Anschlüsse erforderlich sind. Obwohl diese Materialien flexibel sind, sind sie so konzipiert, dass sie sich an ihren Platz biegen und in Position bleiben.

2.Hybrid-Aluminiumsubstrate: In einer „hybriden“ IMS-Struktur werden nicht-thermische Substanzen unabhängig voneinander verarbeitet und dann mit einem thermischen Material mit dem Aluminiumsubstrat verbunden. Die gebräuchlichste Struktur besteht aus 2 oder 4 Schichten von Unterkomponenten aus herkömmlichem FR-4, die dann mit einem wärmeleitenden Dielektrikum mit der Aluminiumbasis verbunden werden. Dies kann zur Wärmeableitung beitragen, die Steifigkeit verbessern und als Abschirmung dienen. Weitere Vorteile sind:

• • Geringere Kosten als die Herstellung aller thermischen Materialien.
  • Bessere Wärmeleistung als Standard-FR-4-Produkte.
  • Eliminierung teurer Kühlkörper und damit verbundener Montageschritte.
  • Geeignet für HF-Anwendungen, die PTFE-Oberflächenschichten für HF-Verlusteigenschaften erfordern.
  • Verwendung von Komponentenfenstern aus Aluminium zur Aufnahme von Durchgangslochkomponenten, sodass Steckverbinder und Kabel durch die Platine geführt werden können, während abgerundete Ecken verlötet werden, um eine Abdichtung zu schaffen, ohne dass spezielle Unterlegscheiben oder andere teure Adapter erforderlich sind.

3.Mehrschichtige Aluminiumsubstrate: Auf dem Markt für Hochleistungsstromversorgungen werden mehrschichtige IMS-Leiterplatten aus mehreren Schichten thermischen Dielektrikums hergestellt. Diese Strukturen verfügen über eine oder mehrere Schichten von Schaltkreisen, die in das Dielektrikum eingebettet sind, wobei Blind Vias als thermische Vias oder Signalpfade verwendet werden. Während einschichtige Designs teurer und weniger effizient bei der Wärmeübertragung sind, bieten sie eine einfache und effektive Wärmeableitungslösung für komplexere Designs.

4.Durchgangsloch-Aluminiumsubstrate: In den komplexesten Strukturen kann eine Aluminiumschicht den „Kern“ mehrschichtiger thermischer Strukturen bilden. Vor dem Laminieren wird das Aluminium vorplattiert und mit Dielektrikum gefüllt. Thermomaterialien oder Unterkomponenten können mit einer Thermoklebeschicht beidseitig auf das Aluminium laminiert werden. Nach dem Laminieren ähnelt das fertige Bauteil einem herkömmlichen mehrschichtigen Aluminiumsubstrat, das durch das Aluminium gebohrt wird. Durch die Lücken im Aluminium verlaufen plattierte Durchgangslöcher, um die elektrische Isolierung aufrechtzuerhalten. Alternativ können Kupferkerne direkte elektrische Verbindungen sowie isolierte Durchgangslöcher ermöglichen.

Vorteile von PCB-Aluminiumsubstraten

Neben der hervorragenden Wärmeableitungsleistung bietet die Leiterplatte mit Aluminiumsubstrat folgende Vorteile:

• Einhaltung der RoHS-Umweltanforderungen.
• Besser geeignet für SMT-Prozesse.
• Höhere Strombelastbarkeit.
• Effektiver Umgang mit der Wärmediffusion beim Schaltungsdesign, Reduzierung der Modulbetriebstemperatur, Verlängerung der Lebensdauer, Erhöhung der Leistungsdichte und Verbesserung der Zuverlässigkeit.
• Reduzierung der Montage von Kühlkörpern und anderer Hardware (einschließlich Wärmeschnittstellenmaterialien), Verkleinerung der Produktgröße, Reduzierung der Hardware- und Montagekosten und Optimierung der Kombination von Stromkreisen und Steuerkreisen.
• Ersatz empfindlicher Keramiksubstrate für eine bessere mechanische Haltbarkeit.

Im Vergleich zu herkömmlichen FR-4-Platinen haben Leiterplatten mit Aluminiumsubstrat den großen Vorteil, dass sie einen höheren Strom übertragen können. Wie bei FR-4 verwenden die Schaltkreisschichten Kupferfolie als Leiter für die Verbindung. Im Vergleich zu herkömmlichem FR-4 können Leiterplatten mit Aluminiumsubstrat bei gleicher Dicke und Linienbreite einen höheren Strom führen.

Die Kerntechnologie von Aluminiumsubstrat-Leiterplatten liegt im Material der Zwischenisolationsschicht, das hauptsächlich die Funktionen der Bindung, Isolierung und Wärmeleitung erfüllt. Die Isolationsschicht der Aluminiumsubstrat-Leiterplatte ist die größte Wärmebarriere in der Struktur von Leistungsmodulen. Je besser die Wärmeleitfähigkeit der Isolierschicht ist, desto besser ist sie für die Diffusion der beim Betrieb des Geräts erzeugten Wärme geeignet, was wiederum dazu beiträgt, die Betriebstemperatur des Geräts zu senken, eine höhere Leistungsbelastung des Moduls zu erreichen und die Größe zu verringern. Verlängerung der Lebensdauer und Steigerung der Leistungsabgabe. Es sollte nicht nur die Anforderungen einer guten Wärmeleitfähigkeit erfüllen, sondern auch über eine hohe Spannungsisolierfähigkeit verfügen.

Unterschiede zwischen Aluminiumbasis und FR-4-Board

Wärmeableitung

Der größte Unterschied zwischen kupferkaschiertem Laminat (CCL) auf Aluminiumbasis und herkömmlichem FR-4 CCL liegt in ihren Wärmeableitungseigenschaften. Im Vergleich zu einem 1.5 mm dicken FR-4-CCL beträgt der Wärmewiderstand eines auf Aluminium basierenden CCL beispielsweise 20–22 °C für ersteres und 1.0–2.0 °C für letzteres, was deutlich niedriger ist.

Wärmeausdehnungskoeffizient

Typischerweise leiden FR-4-Platinen unter Problemen mit der Wärmeausdehnung, wobei hohe Temperaturen zu Veränderungen der Dicke und Ebenheit, insbesondere in Dickenrichtung, führen können, was sich negativ auf die Qualität der metallisierten Löcher und Schaltkreise auswirkt. Dies liegt vor allem an den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten in Richtung der Materialdicke: Kupfer hat einen Koeffizienten von 17×10^-6 cm/cm℃, während FR-4-Plattengrundmaterial 110×10^-6 cm/cm beträgt ℃, was leicht zu thermischen Ausdehnungseffekten führen kann. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Platten auf Aluminiumbasis beträgt 50×10^-6 cm/cm℃, kleiner als der von allgemeinen FR-4-Platten und näher an dem von Kupferfolie. Dies trägt dazu bei, die Qualität und Zuverlässigkeit von Leiterplatten sicherzustellen.

Hauptanwendungen

FR-4-Platinen eignen sich für allgemeines Schaltungsdesign und gewöhnliche elektronische Produkte. Platinen auf Aluminiumbasis eignen sich für Schaltkreise mit besonderen Anforderungen, wie z. B. integrierte Dickschicht-Hybridschaltkreise, Wärmeableitung für Stromschaltkreise, Kühlung von Komponenten in Schaltkreisen, großformatige Substrate, die Keramiksubstrate nicht bewältigen können, und Schaltkreise, die herkömmliche Kühlkörper nicht lösen können Zuverlässigkeitsprobleme.

Bearbeitbarkeit

Platten auf Aluminiumbasis weisen eine hohe mechanische Festigkeit und Zähigkeit auf, die FR-4-Platten überlegen ist. Daher können großflächige Leiterplatten auf Aluminiumbasisplatten hergestellt und schwere Bauteile auf solchen Substraten montiert werden.

Elektrische Leistung

Im Vergleich zu FR-4-Platten weisen Platten auf Aluminiumbasis eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf, was zu einer deutlichen Erhöhung der Strombelastbarkeit der Leiter führt. Dies weist auf die hohe Wärmeleitfähigkeit von Platten auf Aluminiumbasis hin. Die Wärmeableitung von Platten auf Aluminiumbasis hängt von der Dicke ihrer Dämmschicht und der Wärmeleitfähigkeit ab. Dünnere Isolationsschichten führen zu einer höheren Wärmeleitfähigkeit von Platten auf Aluminiumbasis (jedoch zu einer geringeren Spannungsfestigkeit). Um die Leistung elektronischer Schaltkreise sicherzustellen, müssen einige Komponenten in elektronischen Produkten elektromagnetische Strahlung und Störungen verhindern. Aluminiumbasierte Platten können als Abschirmplatten zur Abschirmung elektromagnetischer Wellen dienen.

Dämmleistung

Unter allgemeinen Bedingungen wird die Durchbruchspannung von Platten auf Aluminiumbasis durch die Dicke der Isolationsschicht bestimmt, wobei die Durchbruchspannung im Allgemeinen bei etwa 500 V liegt. Wenn Sie die Durchbruchspannung einer LED-Leuchtstofflampenplatine auf Aluminiumbasis testen müssen, müssen Sie lediglich einen Hochspannungstest am Eingangsanschlussgehäuse durchführen. Die UL- und CE-Zertifizierungswerte sollten bei 2500 V liegen, und die 3C-Zertifizierung sollte bei etwa 3750 V liegen.