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
- Enkellaags aluminiumsubstraat: Het meest basale type, geschikt voor eenvoudige verlichting en circuits met lage complexiteit
- Dubbellaags aluminiumsubstraat: Circuitlagen aan beide zijden, verbonden door gemetalliseerde gaten
- Hybride aluminium substraat: Gedeeltelijk gebruik van op aluminium gebaseerde materialen met andere gebieden die conventionele FR-4 materialen gebruiken
- Meerlaags aluminiumsubstraat: Complexe structuur geschikt voor sterk geïntegreerde toepassingen (zoals elektronische modules voor auto's)
Uitstekende voordelen van aluminium substraten
Uitzonderlijke thermische prestaties
Aluminum substrates offer thermal conductivity coefficients of 1-3 W/m·K, 5-10 times higher than ordinary FR-4 printplaten (0.3-0.5 W/m·K), capable of reducing heating component temperatures by over 10°C, significantly extending component service life.
Uitstekende mechanische eigenschappen
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.
Lichtgewicht en zeer betrouwbaar
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).
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
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
Belangrijke technische punten
- Behandeling isolatielaag: Using a high thermal conductivity insulating medium (epoxy resin + ceramic filler), thickness 50-200μm
- 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
- 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.
- Alleen focussen op thermische geleidbaarheid: Noodzaak van een uitgebreide evaluatie van de weerstandsspanning, thermische weerstand, mechanische sterkte en andere indicatoren
- 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: Thermal conductivity 1-3 W/m·K, insulation layer thermal resistance <0.5℃·in²/W
- Elektrische prestaties: Withstand voltage ≥3000V, breakdown voltage ≥4KV
- Mechanische prestaties: Peel strength 1.0-1.5kgf/cm, passes 260℃ reflow soldering three-cycle test
Toepassingsvelden
- LED-verlichting: Krachtige LED lampen, straatverlichting, autoverlichtingssystemen
- VermogensapparatuurSchakelende regelaars, DC/AC-omzetters, modules voor energieomzetting
- AutomobielelektronicaElektronische regelaars, ontstekers, vermogensregelaars
- Industriële besturingMotordrivers, voedingsmodules, solid-state relais
- Audio-apparatuurKrachtige versterkers, gebalanceerde versterkers, audio-uitgangstrappen
- 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
- Apply thermal via technology (a 6×6 array can reduce junction temperature by approximately 4.8°C)
- 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.