Was sind die Merkmale von Leiterplatten auf Aluminiumbasis?

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

1. Einschichtiges Aluminium-Substrat: Der einfachste Typ, geeignet für einfache Beleuchtungen und Schaltungen mit geringer Komplexität
2. Doppellagiges Aluminium-Substrat: Beidseitige Schaltungslagen, verbunden durch metallisierte Löcher
3. Hybrid-Aluminium-Substrat: Teilweise Verwendung von Materialien auf Aluminiumbasis, andere Bereiche verwenden herkömmliche FR-4-Materialien
4. Mehrschichtiges Aluminium-Substrat: Komplexe Struktur, geeignet für hochintegrierte Anwendungen (z. B. elektronische Module für Kraftfahrzeuge)

Herausragende Vorteile von Aluminiumsubstraten

Außergewöhnliche thermische Leistung

Aluminiumsubstrate bieten Wärmeleitfähigkeitskoeffizientenvon 1–3 W/m·K, die 5–10 Mal höher sind als beigewöhnlichenMaterialien. FR-4-Platinen (0,3–0,5 W/m·K), wodurch die Temperaturder Heizkomponenten um über 10 °C gesenkt und die Lebensdauer derKomponenten erheblich verlängertwerden kann.

Ausgezeichnete mechanische Eigenschaften

Aluminiumsubstrate weisen im Vergleichzu herkömmlichen Leiterplatten eine überlegene Schlag- und Vibrationsfestigkeitauf und habeneinenWärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) ähnlich wie Siliziumchips(10–15 ppm/℃), wodurchVerformungen und Verbindungsausfälle aufgrund thermischer Belastungen reduziert werden.

Geringes Gewicht und hohe Verlässlichkeit

Die Dichte von Aluminium ist geringerals die von Kupfer, wodurches sich für Anwendungen eignet, die sowohl Wärmeableitung als auchein geringes Gewicht erfordern. Außerdem bietet es eine gute elektrische Isolationsleistung (Durchschlagfestigkeit ≥3000 V).

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

Schneiden → Bohren → Trockenfilmbelichtung →Prüfung → Ätzen → Ätzprüfung → Lötmaske→ Beschriftungsdruck→ Lötmaskenprüfung → HASL (Heißluft-Lötnivellierung) → Aluminiumoberflächenbehandlung → Stanzen → Endprüfung → Verpackung → Versand

Wichtige technische Punkte

• Behandlung der IsolierschichtVerwendung eines Isoliermediums mit hoher Wärmeleitfähigkeit (Epoxidharz + Keramikfüllstoff), Dicke50–200 μm
• 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

1. 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
2. Nur auf die Wärmeleitfähigkeit konzentriert: Sie benötigen eine umfassende Bewertung der Spannungsfestigkeit, der Wärmebeständigkeit, der mechanischen Festigkeit und anderer Indikatoren.
3. Geeignet für alle High-Power-Anwendungen: FR-4 hat immer noch Vorteile bei der Übertragung von Hochgeschwindigkeitssignalen

Parameter für die Schlüsselauswahl

• Thermische LeistungWärmeleitfähigkeit 1–3 W/m·K, thermischer Widerstand der Isolierschicht < 0,5 °C·in²/W
• Elektrische Leistung: Spannungsfestigkeit ≥3000 V, Durchbruchspannung ≥4 kV
• Mechanische LeistungAbziehfestigkeit 1,0–1,5 kgf/cm, bestehtdenDreifachzyklus-Test bei 260 °C Reflow-Löten

Anwendungsbereiche

1. LED-Beleuchtung: Hochleistungs-LED-Lampen, Straßenbeleuchtung, Beleuchtungssysteme für Kraftfahrzeuge
2. StromversorgungsanlagenSchaltregler, DC/AC-Wandler, Leistungswandlermodule
3. Kfz-ElektronikElektronische Regler, Zündvorrichtungen, Leistungssteuerungen
4. Industrielle SteuerungMotortreiber, Leistungsmodule, Halbleiterrelais
5. Audio-AusrüstungHochleistungsverstärker, symmetrische Verstärker, Audio-Ausgangsstufen
6. 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.
• Wärmeübertragungstechnologie anwenden(ein 6×6-Array kann die Sperrschichttemperaturum ca. 4,8 °C senken)
• 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.