Vad är ett kretskort med aluminiumsubstrat?
Kretskort med aluminiumsubstrat (metallbaserade kretskort) är speciella kretskort med en “sandwich”-struktur. Det översta skiktet är ett kretsskikt av kopparfolie. Det mellersta lagret är ett mycket värmeledande isolerande lager (vanligtvis tillverkat av epoxiharts blandat med keramiskt pulver). Bottenlagret är ett substrat av aluminiumlegering. Denna struktur uppnår elektrisk isolering genom det mellanliggande isolerande skiktet samtidigt som aluminium’s bättre värmeledningsförmåga används för att kraftigt förbättra värmeavledningseffektiviteten. Den är speciellt utformad för att hantera den värme som produceras av elektroniska enheter med hög effekt.
Huvudtyper av kretskort med aluminiumsubstrat
- Enskikts aluminiumsubstrat: Den mest grundläggande typen, lämplig för enkel belysning och kretsar med låg komplexitet
- Substrat av dubbelskiktad aluminium: Kretslager på båda sidor, anslutna genom metalliserade hål
- Hybrid aluminiumsubstrat: Delvis användning av aluminiumbaserade material medan andra områden använder konventionella FR-4-material
- Aluminiumsubstrat i flera skikt: Komplex struktur som lämpar sig för högintegrerade applikationer (t.ex. elektroniska moduler för fordon)
Enastående fördelar med aluminiumsubstrat
Exceptionell termisk prestanda
Aluminiumsubstrat har värmeledningsförmåga på 1–3 W/m·K, vilket är 5–10 gånger högre än vanligt FR-4 kretskort (0,3–0,5 W/m·K), vilket kan sänka temperaturen på värmekomponenter med över 10 °C och därmed avsevärt förlänga komponenternas livslängd.
Utmärkta mekaniska egenskaper
Aluminiumsubstrat har överlägsen slag- och vibrationsbeständighet jämfört med vanliga kretskort, med en värmeutvidgningskoefficient (CTE) som ligger nära kiselchips (10-15 ppm/℃), vilket minskar deformation och anslutningsfel orsakade av termisk påfrestning.
Låg vikt och hög tillförlitlighet
Aluminium har lägre densitet än koppar, vilket gör det lämpligt för tillämpningar som kräver både värmeavledning och lätt konstruktion. Det har också god elektrisk isoleringsförmåga (motståndsspänning ≥3000V).
Miljöfördelar och kostnadseffektivitet
Aluminiummaterial är återvinningsbara och uppfyller därmed miljökraven. Även om de initiala kostnaderna är högre kan de minska eller till och med eliminera behovet av ytterligare kylflänsar, vilket ger betydande totala kostnadsfördelar.
Tillverkningsprocess för aluminiumsubstrat
Centralt processflöde
Skärning → Borrning → Torrfilmavbildning → Inspektion → Etsning → Etsningsinspektion → Lödmask → Textutskrift → Lödmaskinsinspektion → HASL (Hot Air Solder Leveling) → Ytbehandling av aluminium → Stansning → Slutinspektion → Förpackning → Leverans
Viktiga tekniska punkter
- Behandling av isoleringsskikt: Användning av ett isoleringsmedium med hög värmeledningsförmåga (epoxiharts + keramiskt fyllmedel), tjocklek 50–200 μm
- Val av kopparfolie: Använd vanligtvis 2-10 oz tjock kopparfolie för att minska strömvärmeförlusten
- YtbehandlingUndvik höga temperaturer HASL-processer för att förhindra skador på isoleringsskiktet
När ska du välja ett kretskort med aluminiumsubstrat?
Lämpliga tillämpningar
- Utrustning med hög effekttäthet och betydande värmeutveckling (LED-belysning, kraftmoduler)
- Applikationer med stora variationer i driftstemperatur (fordonselektronik, utrustning för utomhusbruk)
- Produkter som kräver miniatyriserad design med bibehållen värmehantering
- Användningsområden som kräver hög mekanisk stabilitet och tillförlitlighet
Olämpliga tillämpningar
- Scenarier för högfrekvent signalöverföring (>1GHz) (FR-4-material är mer fördelaktiga)
- Extremt kostnadskänsliga lågeffektsapplikationer
- Konventionella elektroniska produkter utan ytterligare kylbehov
Överväganden om urval
Vanliga missuppfattningar om urval
- Fler lager innebär bättre värmeavledning: Kräver att man tar hänsyn till värmekällans distributionsdesign; flerskiktsstrukturer passar för moduler med flera chip, medan enskiktsstrukturer är mer kostnadseffektiva för enkla belysningsscenarier
- Fokuserar endast på värmeledningsförmåga: Behöver en omfattande utvärdering av tålig spänning, termisk resistans, mekanisk hållfasthet och andra indikatorer
- Lämplig för alla högeffektsapplikationer: FR-4 har fortfarande fördelar i scenarier med höghastighetssignalöverföring
Viktiga urvalsparametrar
- Termisk prestanda: Värmeledningsförmåga 1-3 W/m·K, isoleringsskiktets värmemotstånd <0,5℃·in²/W
- Elektrisk prestanda: Motståndsspänning ≥3000 V, genombrottsspänning ≥4 kV
- Mekanisk prestanda: Skalstyrka 1,0–1,5 kgf/cm, klarar tre cykler av omsmältningslödning vid 260 °C.
Tillämpningsområden
- LED-belysning: Högeffektiva LED-lampor, gatubelysning, belysningssystem för fordon
- KraftutrustningKopplingsregulatorer, DC/AC-omvandlare, moduler för effektomvandling
- Elektronik för fordonsindustrinElektroniska regulatorer, tändare, effektregulatorer
- Industriell kontrollMotordrivdon, kraftmoduler, solid state-reläer
- LjudutrustningHögeffektförstärkare, balanserade förstärkare, slutsteg för audio
- KommunikationsutrustningHögfrekvensförstärkare, filterutrustning, transmissionskretsar
Lösningar för optimering av värmeavledning för PCB med aluminiumsubstrat
Värmeavledningens effektivitet kan förbättras ytterligare genom materialval, strukturell design och processoptimering:
- Använd 2-3 oz tjock kopparfolie för att utöka kontaktytan med isoleringsskiktet
- Sprid ut värmekomponenterna för att undvika en koncentrerad layout
- Använd termisk via-teknik (en 6×6-matris kan sänka övergångstemperaturen med cirka 4,8 °C)
- Optimerad paddesign, exponerar koppar vid chipets botten, kan minska värmemotståndet med 15%-20%.
Kostnadsanalys
Kretskort med aluminiumsubstrat kostar vanligtvis 30-50% mer än vanliga FR-4-kretskort, främst på grund av:
- Särskilda materialkostnader (aluminiumsubstrat, isoleringsskikt med hög värmeledningsförmåga)
- Komplexa bearbetningstekniker och krav
- Behov av specialutrustning och teknisk personal
Enhetspriserna kan dock sänkas avsevärt vid produktion av stora volymer (3.000+ enheter) och långsiktig tillförlitlighet kan leda till minskade underhållskostnader, vilket uppväger den initiala investeringen.