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
Aluminum substrates offer thermal conductivity coefficients of 1-3 W/m·K, 5-10 times higher than ordinary FR-4 kretskort (0.3-0.5 W/m·K), capable of reducing heating component temperatures by over 10°C, significantly extending component service life.
Utmärkta mekaniska egenskaper
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.
Låg vikt och hög tillförlitlighet
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).
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
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
Viktiga tekniska punkter
- Behandling av isoleringsskikt: Using a high thermal conductivity insulating medium (epoxy resin + ceramic filler), thickness 50-200μm
- 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: Thermal conductivity 1-3 W/m·K, insulation layer thermal resistance <0.5℃·in²/W
- Elektrisk prestanda: Withstand voltage ≥3000V, breakdown voltage ≥4KV
- Mekanisk prestanda: Peel strength 1.0-1.5kgf/cm, passes 260℃ reflow soldering three-cycle test
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
- Apply thermal via technology (a 6×6 array can reduce junction temperature by approximately 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.