Was ist eine Aluminium-Substrat-Leiterplatte?
Aluminiumsubstrat-Leiterplatten (metallbasierte Leiterplatten) sind spezielle Leiterplatten mit einer Sandwich-Struktur. Die oberste Schicht ist eine Kupferfolien-Schaltkreisschicht. Die mittlere Schicht ist eine hoch wärmeleitende Isolierschicht (in der Regel aus Epoxidharz mit Keramikpulver gemischt). Die untere Schicht ist ein Substrat aus einer Aluminiumlegierung. Mit dieser Struktur wird eine elektrische Isolierung durch die isolierende Zwischenschicht erreicht, während die bessere Wärmeleitfähigkeit von Aluminium genutzt wird, um die Wärmeableitung erheblich zu verbessern. Sie wurde speziell für die Ableitung der von elektronischen Hochleistungsgeräten erzeugten Wärme entwickelt.
Haupttypen von Aluminium-Substrat-PCBs
- Einschichtiges Aluminium-Substrat: Der einfachste Typ, geeignet für einfache Beleuchtungen und Schaltungen mit geringer Komplexität
- Doppellagiges Aluminium-Substrat: Beidseitige Schaltungslagen, verbunden durch metallisierte Löcher
- Hybrid-Aluminium-Substrat: Teilweise Verwendung von Materialien auf Aluminiumbasis, andere Bereiche verwenden herkömmliche FR-4-Materialien
- Mehrschichtiges Aluminium-Substrat: Komplexe Struktur, geeignet für hochintegrierte Anwendungen (z. B. elektronische Module für Kraftfahrzeuge)
Herausragende Vorteile von Aluminiumsubstraten
Außergewöhnliche thermische Leistung
Aluminum substrates offer thermal conductivity coefficients of 1-3 W/m·K, 5-10 times higher than ordinary FR-4-Platinen (0.3-0.5 W/m·K), capable of reducing heating component temperatures by over 10°C, significantly extending component service life.
Ausgezeichnete mechanische Eigenschaften
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.
Geringes Gewicht und hohe Verlässlichkeit
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).
Umweltnutzen und Kosteneffizienz
Aluminiumwerkstoffe sind recycelbar und erfüllen die Umweltanforderungen. Obwohl die Anschaffungskosten höher sind, können sie den Bedarf an zusätzlichen Kühlkörpern verringern oder sogar ganz eliminieren, was erhebliche Gesamtkostenvorteile bietet.
Herstellungsverfahren für Aluminiumsubstrate
Kernprozessablauf
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
Wichtige technische Punkte
- Behandlung der Isolierschicht: Using a high thermal conductivity insulating medium (epoxy resin + ceramic filler), thickness 50-200μm
- Auswahl der Kupferfolien: Verwenden Sie in der Regel eine 2-10 oz dicke Kupferfolie, um den Stromwärmeverlust zu verringern.
- OberflächenbehandlungVermeiden Sie hohe Temperaturen HASL-Verfahren zur Vermeidung von Schäden an der Dämmschicht
Wann sollten Sie eine Leiterplatte mit Aluminiumsubstrat wählen?
Geeignete Anwendungen
- Geräte mit hoher Leistungsdichte und starker Wärmeentwicklung (LED-Beleuchtung, Leistungsmodule)
- Anwendungen mit großen Betriebstemperaturschwankungen (Automobilelektronik, Außengeräte)
- Produkte, die ein miniaturisiertes Design unter Beibehaltung des Wärmemanagements erfordern
- Anlässe, die eine hohe mechanische Stabilität und Zuverlässigkeit erfordern
Ungeeignete Anwendungen
- Szenarien für die Übertragung von Hochfrequenzsignalen (>1GHz) (FR-4-Materialien sind vorteilhafter)
- Extrem kostensensitive Low-Power-Anwendungen
- Konventionelle elektronische Produkte ohne zusätzlichen Kühlungsbedarf
Überlegungen zur Auswahl
Häufige Missverständnisse bei der Auswahl
- Mehr Schichten bedeuten eine bessere Wärmeableitung: Erfordert die Berücksichtigung des Designs der Wärmequellenverteilung; mehrschichtige Strukturen eignen sich für Multi-Chip-Module, während einschichtige Strukturen für einfache Beleuchtungsszenarien kostengünstiger sind
- Nur auf die Wärmeleitfähigkeit konzentriert: Sie benötigen eine umfassende Bewertung der Spannungsfestigkeit, der Wärmebeständigkeit, der mechanischen Festigkeit und anderer Indikatoren.
- Geeignet für alle High-Power-Anwendungen: FR-4 hat immer noch Vorteile bei der Übertragung von Hochgeschwindigkeitssignalen
Parameter für die Schlüsselauswahl
- Thermische Leistung: Thermal conductivity 1-3 W/m·K, insulation layer thermal resistance <0.5℃·in²/W
- Elektrische Leistung: Withstand voltage ≥3000V, breakdown voltage ≥4KV
- Mechanische Leistung: Peel strength 1.0-1.5kgf/cm, passes 260℃ reflow soldering three-cycle test
Anwendungsbereiche
- LED-Beleuchtung: Hochleistungs-LED-Lampen, Straßenbeleuchtung, Beleuchtungssysteme für Kraftfahrzeuge
- StromversorgungsanlagenSchaltregler, DC/AC-Wandler, Leistungswandlermodule
- Kfz-ElektronikElektronische Regler, Zündvorrichtungen, Leistungssteuerungen
- Industrielle SteuerungMotortreiber, Leistungsmodule, Halbleiterrelais
- Audio-AusrüstungHochleistungsverstärker, symmetrische Verstärker, Audio-Ausgangsstufen
- KommunikationsausrüstungHochfrequenzverstärker, Filtergeräte, Übertragungsschaltungen
Optimierungslösungen für die Wärmeableitung bei PCBs mit Aluminiumsubstrat
Die Effizienz der Wärmeableitung kann durch Materialauswahl, Strukturdesign und Prozessoptimierung weiter verbessert werden:
- Verwenden Sie 2-3oz dicke Kupferfolie, um die Kontaktfläche mit der Isolierschicht zu vergrößern.
- Verteilen Sie die Heizkomponenten, um eine konzentrierte Anordnung zu vermeiden.
- Apply thermal via technology (a 6×6 array can reduce junction temperature by approximately 4.8°C)
- Durch die Optimierung des Pad-Designs und die Freilegung von Kupfer an der Chip-Unterseite kann der Wärmewiderstand um 15%-20% reduziert werden.
Kostenanalyse
Leiterplatten mit Aluminiumsubstrat kosten in der Regel 30-50 % mehr als gewöhnliche FR-4-Leiterplatten, was hauptsächlich auf folgende Faktoren zurückzuführen ist:
- Besondere Materialkosten (Aluminiumsubstrat, Isolierschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit)
- Komplexe Verarbeitungstechniken und Anforderungen
- Bedarf an Spezialausrüstung und technischem Personal
Allerdings können die Stückpreise bei der Produktion von Großserien (3.000 und mehr Stück) erheblich gesenkt werden, und die langfristige Zuverlässigkeit kann zu geringeren Wartungskosten führen, die die Anfangsinvestition ausgleichen.