Wat zijn de kenmerken van PCB's op basis van aluminium?

Wat is een aluminium substraat PCB?

PCB's met een aluminiumsubstraat (printplaten op basis van metaal) zijn speciale printplaten met een “sandwich” structuur. De bovenste laag is een circuitlaag van koperfolie. De middelste laag is een sterk warmtegeleidende isolatielaag (meestal gemaakt van epoxyhars gemengd met keramisch poeder). De onderste laag is een substraat van een aluminiumlegering. Deze structuur bereikt elektrische isolatie door de tussenliggende isolerende laag, terwijl aluminium’s betere thermische geleidbaarheid wordt gebruikt om de efficiëntie van de warmteafvoer sterk te verbeteren. Het is speciaal ontworpen om de warmte te beheren die wordt geproduceerd door elektronische apparaten met een hoog vermogen.

Hoofdtypen PCB's met aluminiumsubstraat

1. Enkellaags aluminiumsubstraat: Het meest basale type, geschikt voor eenvoudige verlichting en circuits met lage complexiteit
2. Dubbellaags aluminiumsubstraat: Circuitlagen aan beide zijden, verbonden door gemetalliseerde gaten
3. Hybride aluminium substraat: Gedeeltelijk gebruik van op aluminium gebaseerde materialen met andere gebieden die conventionele FR-4 materialen gebruiken
4. Meerlaags aluminiumsubstraat: Complexe structuur geschikt voor sterk geïntegreerde toepassingen (zoals elektronische modules voor auto's)

Uitstekende voordelen van aluminium substraten

Uitzonderlijke thermische prestaties

Aluminium substraten bieden thermische geleidingscoëfficiënten van 1-3 W/m·K, 5-10 keer hoger dan gewoon FR-4 printplaten (0,3-0,5 W/m·K), waardoor de temperatuur van verwarmingscomponenten met meer dan 10 °C kan worden verlaagd, wat de levensduur van de componenten aanzienlijk verlengt.

Uitstekende mechanische eigenschappen

Aluminium substraten vertonen een superieure schok- en trillingsbestendigheid in vergelijking met gewone PCB's, met een thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) die dicht bij die van siliciumchips ligt (10-15 ppm/℃), waardoor vervorming en verbindingsstoringen als gevolg van thermische spanning worden verminderd.

Lichtgewicht en zeer betrouwbaar

De dichtheid van aluminium is lager dan die van koper, waardoor het geschikt is voor toepassingen die zowel warmteafvoer als een lichtgewicht ontwerp vereisen. Het biedt ook goede elektrische isolatieprestaties (weerstandsspanning ≥3000V).

Milieuvoordelen en kosteneffectiviteit

Aluminium materialen zijn recyclebaar en voldoen aan de milieueisen. Hoewel de initiële kosten hoger zijn, kunnen ze de noodzaak voor extra koellichamen verminderen of zelfs elimineren, wat een aanzienlijk algemeen kostenvoordeel oplevert.

Aluminiumsubstraat productieproces

Kernprocesstroom

Snijden → Boren → Droge filmbeeldvorming → Inspectie → Etsen → Etsinspectie → Soldeermasker → Legendafdrukken → Soldeermaskerinspectie → HASL (Hot Air Solder Leveling) → Aluminiumoppervlaktebehandeling → Ponsen → Eindinspectie → Verpakking → Verzending

Belangrijke technische punten

• Behandeling isolatielaag: Gebruik van een isolatiemateriaal met hoge thermische geleidbaarheid (epoxyhars + keramische vulstof), dikte 50-200 μm
• Koperfolie selectie: Gebruik gewoonlijk 2-10oz dik koperfolie om het warmteverlies te beperken.
• OppervlaktebehandelingVermijd hoge temperaturen HASL-processen om schade aan de isolatielaag te voorkomen

Wanneer moet je kiezen voor een aluminium substraat PCB?

Geschikte toepassingen

• Apparatuur met hoge vermogensdichtheid en aanzienlijke warmteontwikkeling (LED-verlichting, voedingsmodules)
• Toepassingen met grote temperatuurschommelingen (auto-elektronica, buitenapparatuur)
• Producten die een miniatuurontwerp vereisen met behoud van thermisch beheer
• Toepassingen die een hoge mechanische stabiliteit en betrouwbaarheid vereisen

Ongeschikte toepassingen

• Scenario's voor hoogfrequente signaaloverdracht (>1GHz) (FR-4-materialen zijn voordeliger)
• Uiterst kostengevoelige toepassingen met laag stroomverbruik
• Conventionele elektronische producten zonder extra koeling

Selectie Overwegingen

Vaak voorkomende misvattingen over selectie

1. Meer lagen betekent betere warmteafvoer: Meerlagige structuren zijn geschikt voor modules met meerdere chips, terwijl structuren met één laag kosteneffectiever zijn voor eenvoudige verlichtingsscenario's.
2. Alleen focussen op thermische geleidbaarheid: Noodzaak van een uitgebreide evaluatie van de weerstandsspanning, thermische weerstand, mechanische sterkte en andere indicatoren
3. Geschikt voor alle toepassingen met hoog vermogen: FR-4 heeft nog steeds voordelen in scenario's voor signaaloverdracht met hoge snelheid

Belangrijkste selectieparameters

• Thermische prestaties: Warmtegeleidingsvermogen 1-3 W/m·K, thermische weerstand isolatielaag <0,5℃·in²/W
• Elektrische prestaties: Spanningsweerstand ≥3000 V, doorslagspanning ≥4 kV
• Mechanische prestaties: Afpelsterkte 1,0-1,5 kgf/cm, doorstaat een driemaal herhaalde reflow-soldeertest bij 260 °C.

Toepassingsvelden

1. LED-verlichting: Krachtige LED lampen, straatverlichting, autoverlichtingssystemen
2. VermogensapparatuurSchakelende regelaars, DC/AC-omzetters, modules voor energieomzetting
3. AutomobielelektronicaElektronische regelaars, ontstekers, vermogensregelaars
4. Industriële besturingMotordrivers, voedingsmodules, solid-state relais
5. Audio-apparatuurKrachtige versterkers, gebalanceerde versterkers, audio-uitgangstrappen
6. CommunicatieapparatuurHoogfrequentversterkers, filterapparatuur, transmissieschakelingen

Oplossingen voor optimalisatie van warmteafvoer voor PCB's met aluminiumsubstraat

De efficiëntie van de warmteafvoer kan verder worden verbeterd door materiaalkeuze, structureel ontwerp en procesoptimalisatie:

• Gebruik 2-3oz dik koperfolie om het contactoppervlak met de isolatielaag te vergroten
• Verspreid verwarmingsonderdelen om een geconcentreerde lay-out te voorkomen
• Pas thermische via-technologie toe (een 6×6-array kan de junctietemperatuur met ongeveer 4,8 °C verlagen)
• Het optimaliseren van het ontwerp van de pad, het blootleggen van koper aan de onderkant van de chip, kan de thermische weerstand met 15%-20% verlagen

Kostenanalyse

PCB's met een aluminium substraat kosten doorgaans 30%-50% meer dan gewone FR-4 PCB's, voornamelijk door:

• Speciale materiaalkosten (aluminium substraat, isolatielaag met hoge thermische geleidbaarheid)
• Complexe verwerkingstechnieken en vereisten
• Behoefte aan gespecialiseerde apparatuur en technisch personeel

De eenheidsprijs kan echter aanzienlijk worden verlaagd bij productie van grote volumes (3.000+ stuks) en betrouwbaarheid op lange termijn kan leiden tot lagere onderhoudskosten, waardoor de initiële investering wordt gecompenseerd.