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-Leiterplatten erörtert und dabei deren hohe Kosten und Empfindlichkeit als Nachteile genannt. Standard-Glasfaser-Leiterplatten weisen eine schlechte Wärmeableitung auf, während Keramik-Leiterplatten in Umgebungen mit hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit stabil und formbeständig sind. Allerdings sind sie teuer und werden hauptsächlich in High-End-Produkten eingesetzt. Gibt es für Produkte, die nicht im High-End-Bereich angesiedelt sind, wie beispielsweise großflächige, leistungsstarke LED-Lichtplatinen , die zwar eine gute Wärmeableitung erfordern, aber dennoch kostengünstig sein sollen, ein geeignetes Material?

Die Antwort lautet ja, und genau hier kommen Leiterplatten mit Aluminiumsubstrat ins Spiel. Aluminium, ein leitfähiges Metall, mag auf den ersten Blick eine ungewöhnliche Wahl für Leiterplatten sein , doch Leiterplatten mit Aluminiumsubstrat bestehen aus drei Schichten: Kupferfolie, einer Isolierschicht und einer Aluminiumschicht. Da eine Isolierschicht vorhanden ist, stellt sich die Frage, ob neben Aluminium auch andere Materialien für die Metallschicht verwendet werden können. Beispielsweise Kupfer, Edelstahl, Eisen, Siliziumstahl usw.? Bei der Auswahl des Metallsubstrats müssen Faktoren wie Wärmeausdehnungskoeffizient, Wärmeleitfähigkeit, Festigkeit, Härte, Gewicht, Oberflächenbeschaffenheit 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 herkömmlichen FR-4 -Leiterplatten minimieren Aluminiumsubstrat-Leiterplatten den Wärmewiderstand und bieten eine hervorragende Wärmeleitung; im Vergleich zu Keramiksubstraten weisen sie hervorragende mechanische Eigenschaften auf.

 Arten von PCB-Aluminiumsubstraten

1. Flexible Aluminiumsubstrate : Eine der neuesten Entwicklungen im Bereich der IMS-Materialien sind flexible Dielektrika. Diese Materialien bieten hervorragende elektrische Isolation, Flexibilität und Wärmeleitfähigkeit. Aufgetragen auf Werkstoffe wie 5754 oder ähnliches flexibles Aluminium, lassen sie sich in verschiedene Formen und Winkel bringen, wodurch teure Halterungen, Kabel und Steckverbinder überflüssig werden. Obwohl diese Materialien flexibel sind, sind sie so konzipiert, dass sie sich in die gewünschte Position biegen und diese beibehalten.

2. Hybrid-Aluminiumsubstrate : Bei einer „hybriden“ IMS-Struktur werden nicht-thermische Substanzen separat verarbeitet und anschließend mit einem wärmeleitenden Material auf das Aluminiumsubstrat geklebt. Die gängigste Struktur besteht aus zwei oder vier Lagen von Subkomponenten aus herkömmlichem FR-4, die mit einem wärmeleitenden Dielektrikum auf die Aluminiumbasis geklebt werden. Dies verbessert die Wärmeableitung, erhöht die Steifigkeit und dient als Abschirmung. 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. Mehrlagige Aluminiumsubstrate : Im Markt für Hochleistungsnetzteile werden mehrlagige IMS-Leiterplatten aus mehreren Lagen thermischen Dielektrikums gefertigt. Diese Strukturen enthalten eine oder mehrere in das Dielektrikum eingebettete Schaltungslagen, wobei Blind-Vias als thermische Verbindungen oder Signalwege dienen. Einlagige Designs sind zwar teurer und weniger effizient in der Wärmeableitung, bieten aber eine einfache und effektive Lösung zur Wärmeabfuhr für komplexere Designs.

4. Durchkontaktierte Aluminiumsubstrate : In komplexen Strukturen bildet eine Aluminiumschicht den Kern mehrlagiger Wärmeleitstrukturen. Vor der Laminierung wird das Aluminium vorplattiert und mit einem Dielektrikum gefüllt. Wärmeleitmaterialien oder Subkomponenten werden mithilfe einer Wärmeleitklebschicht auf beide Seiten des Aluminiums laminiert. Das fertige Bauteil ähnelt nach der Laminierung einem herkömmlichen, durchbohrten, mehrlagigen Aluminiumsubstrat. Durchkontaktierte Löcher durchdringen die Zwischenräume im Aluminium und gewährleisten so die elektrische Isolation. Alternativ ermöglichen Kupferkerne sowohl direkte elektrische Verbindungen als auch isolierte Durchkontaktierungen.

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.