Hvad er et printkort med aluminiumsunderlag?
PCB'er med aluminiumsunderlag (metalbaserede printkort) er særlige printkort med en “sandwich”-struktur. Det øverste lag er et kredsløbslag af kobberfolie. Det midterste lag er et stærkt varmeledende isolerende lag (typisk lavet af epoxyharpiks blandet med keramisk pulver). Det nederste lag er et substrat af aluminiumslegering. Denne struktur opnår elektrisk isolering gennem det mellemliggende isolerende lag, samtidig med at den bruger aluminiums bedre varmeledningsevne til at forbedre varmeafledningseffektiviteten betydeligt. Den er specielt designet til at håndtere den varme, der produceres af elektroniske enheder med høj effekt.
Hovedtyper af printkort med aluminiumsunderlag
- Enkeltlags aluminiumssubstrat: Den mest basale type, velegnet til enkel belysning og kredsløb med lav kompleksitet
- Dobbeltlags aluminiumsunderlag: Kredsløbslag på begge sider, forbundet gennem metalliserede huller
- Hybrid aluminium-substrat: Delvis brug af aluminiumsbaserede materialer, mens andre områder bruger konventionelle FR-4-materialer
- Substrat af aluminium i flere lag: Kompleks struktur, der er velegnet til stærkt integrerede applikationer (f.eks. elektroniske moduler til biler)
Enestående fordele ved aluminiumssubstrater
Enestående termisk ydeevne
Aluminum substrates offer thermal conductivity coefficients of 1-3 W/m·K, 5-10 times higher than ordinary FR-4 printkort (0.3-0.5 W/m·K), capable of reducing heating component temperatures by over 10°C, significantly extending component service life.
Fremragende mekaniske egenskaber
Aluminum substrates demonstrate superior impact and vibration resistance compared to regular PCBs, with a thermal expansion coefficient (CTE) close to silicon chips (10-15ppm/℃), reducing deformation and connection failures caused by thermal stress.
Letvægt og høj pålidelighed
Aluminum’s density is lower than copper’s, making it suitable for applications requiring both heat dissipation and lightweight design. It also provides good electrical insulation performance (withstand voltage ≥3000V).
Miljømæssige fordele og omkostningseffektivitet
Aluminiumsmaterialer er genanvendelige og opfylder miljøkrav. Selv om startomkostningerne er højere, kan de reducere eller endda eliminere behovet for yderligere kølelegemer, hvilket giver betydelige samlede omkostningsfordele.
Fremstillingsproces for aluminiumsunderlag
Det centrale procesflow
Cutting → Drilling → Dry Film Imaging → Inspection → Etching → Etch Inspection → Solder Mask → Legend Printing → Solder Mask Inspection → HASL (Hot Air Solder Leveling) → Aluminum Surface Treatment → Punching → Final Inspection → Packaging → Shipping
Vigtige tekniske punkter
- Behandling af isoleringslag: Using a high thermal conductivity insulating medium (epoxy resin + ceramic filler), thickness 50-200μm
- Valg af kobberfolie: Brug typisk 2-10 oz tyk kobberfolie for at reducere det aktuelle varmetab
- OverfladebehandlingUndgå høj temperatur HASL-processer for at forhindre skader på isoleringslaget
Hvornår skal du vælge et printkort med aluminiumsunderlag?
Passende applikationer
- Udstyr med høj effekttæthed og betydelig varmeudvikling (LED-belysning, strømmoduler)
- Anvendelser med store variationer i driftstemperatur (bilelektronik, udendørs udstyr)
- Produkter, der kræver miniaturiseret design, samtidig med at den termiske styring opretholdes
- Tilfælde, der kræver høj mekanisk stabilitet og pålidelighed
Uegnede anvendelser
- Scenarier med højfrekvent signaltransmission (>1 GHz) (FR-4-materialer er mere fordelagtige)
- Ekstremt omkostningsfølsomme applikationer med lavt strømforbrug
- Konventionelle elektroniske produkter uden yderligere kølebehov
Overvejelser om udvælgelse
Almindelige misforståelser om udvælgelse
- Flere lag betyder bedre varmeafledning: Kræver overvejelse af design af varmekildefordeling; flerlagsstrukturer passer til multichipmoduler, mens enkeltlagsstrukturer er mere omkostningseffektive til enkle belysningsscenarier
- Kun fokus på varmeledningsevne: Har brug for en omfattende evaluering af modstandsspænding, termisk modstand, mekanisk styrke og andre indikatorer
- Velegnet til alle applikationer med høj effekt: FR-4 har stadig fordele i scenarier med højhastighedssignaloverførsel
Parametre for nøglevalg
- Termisk ydeevne: Thermal conductivity 1-3 W/m·K, insulation layer thermal resistance <0.5℃·in²/W
- Elektrisk ydeevne: Withstand voltage ≥3000V, breakdown voltage ≥4KV
- Mekanisk ydeevne: Peel strength 1.0-1.5kgf/cm, passes 260℃ reflow soldering three-cycle test
Anvendelsesområder
- LED-belysning: Kraftige LED-lamper, gadebelysning, belysningssystemer til biler
- Elektrisk udstyrKoblingsregulatorer, DC/AC-omformere, strømkonverteringsmoduler
- Elektronik til bilerElektroniske regulatorer, tændere, effektregulatorer
- Industriel kontrolMotordrivere, effektmoduler, solid state-relæer
- Audio-udstyrHøjeffektforstærkere, balancerede forstærkere, audio-udgangstrin
- KommunikationsudstyrHøjfrekvensforstærkere, filterudstyr, transmissionskredsløb
Løsninger til optimering af varmeafledning på printkort med aluminiumsunderlag
Varmeafledningseffektiviteten kan forbedres yderligere gennem materialevalg, strukturelt design og procesoptimering:
- Brug 2-3 oz tyk kobberfolie for at udvide kontaktområdet med isoleringslaget
- Spred varmekomponenterne for at undgå et koncentreret layout
- Apply thermal via technology (a 6×6 array can reduce junction temperature by approximately 4.8°C)
- Optimering af pad-designet og eksponering af kobber i bunden af chippen kan reducere den termiske modstand med 15-20 %.
Analyse af omkostninger
PCB'er med aluminiumsunderlag koster typisk 30-50 % mere end almindelige FR-4 PCB'er, hovedsageligt på grund af:
- Særlige materialeomkostninger (aluminiumsunderlag, isoleringslag med høj varmeledningsevne)
- Komplekse behandlingsteknikker og -krav
- Behov for specialiseret udstyr og teknisk personale
Enhedspriserne kan dog reduceres betydeligt ved produktion af store mængder (3.000+ stykker), og langsigtet pålidelighed kan føre til reducerede vedligeholdelsesomkostninger, hvilket opvejer den oprindelige investering.