Aluminium-Leiterplatten gehören zu den beliebtesten Metallkern-Leiterplatten und finden in vielfältigen Anwendungen Anwendung. Sie bestehen aus Metallbasis und kupferkaschierten Laminaten, die eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolierung bieten. In diesem Blogbeitrag erläutern wir diesen wichtigen Leiterplattentyp detailliert, einschließlich Aufbau, Herstellungsprozess und Anwendungen. Lesen Sie weiter, um mehr zu erfahren.
Was ist eine Aluminium-Leiterplatte?
Eine Aluminium-Leiterplatte, auch Aluminium-Basis-Leiterplatte, Aluminium-Plattierungs-Leiterplatte oder IMS-Leiterplatte (Insulated Metal Substrate) genannt, ist eine Leiterplatte, die anstelle des herkömmlichen FR4-Glasfasermaterials eine Aluminium-Basisschicht verwendet. Sie besteht üblicherweise aus einem dicken Aluminiumsubstrat, über dem sich eine wärmeleitende, aber elektrisch isolierende dielektrische Schicht befindet, auf der sich eine Kupferschicht für die Leiterbahnen befindet. Die einzigartige Konstruktion von Aluminium-Leiterplatten ermöglicht eine sehr effektive Wärmeableitung und eignet sich daher ideal für Hochleistungsanwendungen und andere wärmeerzeugende Leiterplattentypen, wie z. B. LED-Beleuchtungssysteme, Netzteile und Automobilelektronik.
Struktur von Aluminium-PCBs
Aluminium-Leiterplatten sind eigentlich ziemlich ähnlich FR4-LeiterplattenDie Grundstruktur von Aluminium-Leiterplatten besteht aus vier Schichten. Sie besteht aus einer dielektrischen Schicht, Kupferfolie, einer Aluminium-Basisschicht und einer Aluminium-Basismembran.
• Kupferfolienschicht
Die verwendete Kupferschicht ist relativ dicker als bei normalen CCLs (1 oz bis 10 oz). Eine dickere Kupferschicht bedeutet eine höhere Strombelastbarkeit.
• Dielektrische Schicht
Die dielektrische Schicht ist eine wärmeleitende Schicht und etwa 50 bis 200 Mikrometer dick. Sie weist einen geringen Wärmewiderstand auf und ist für ihre Anwendung geeignet.
• Aluminiumbasis
Diese dritte Schicht ist die Aluminiumbasis, die aus einem Aluminiumsubstrat besteht. Sie hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit.
• Membranschicht auf Aluminiumbasis
Die Aluminium-Basismembran ist selektiv. Sie dient als Schutz, indem sie die Aluminiumaußenseite vor unerwünschtem Ätzen und Kratzen schützt. Es gibt zwei Arten: etwa 250 Grad und weniger als 120 Grad (Anti-Hochtemperatur).
Herstellungsprozess von Aluminium-Leiterplatten: Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung
Schritt 1: Design und Engineering
CAD-Software wird von Ingenieuren verwendet, um PCB-Layouts zu erstellen, die dann in Gerber-Dateien die vollständige Schaltungsspezifikationen enthalten.
Schritt 2: Auswahl des Grundmaterials
Wählen Sie geeignete Aluminiumlegierungen wie 5052, 6061 oder 7075 und reinigen Sie die PCB-Oberfläche gründlich, um Schmutz und Öl zu entfernen und so die Bindung zu verbessern.
Schritt 3: Auftragen der dielektrischen Schicht
Anschließend bedecken wir die Aluminiumoberfläche mit einer etwa 50 – 200 Mikrometer dicken Schicht, die wärmeleitend, aber elektrisch isolierend ist.
Schritt 4: Kupferfolienkaschierung
Hochwertige Kupferfolie wird bei 150–180 °C unter kontrolliertem Druck mit der dielektrischen Schicht verbunden.
Schritt 5: Bildgebung und Ätzen
Die Kupferschicht wird Photolack Beschichtung, UV-Bestrahlung und chemisches Ätzen zur Erstellung des Schaltungsmusters.
Schritt 6: Oberflächenschutz
Anschließend werden die Schaltkreise mit einer Lötstoppmaske geschützt und die Komponenten mit einem Siebdruck gekennzeichnet.
Schritt 7: Mechanische Bearbeitung
Die Aluminiumplatte wird präzise gebohrt, mit Löchern versehen und in einzelne Einheiten zerlegt.
Schritt 8: Qualitätsprüfung
Alle Platinen werden durch automatisch betriebene Inspektionssysteme auf elektrische Kontinuität, Wärmewiderstand und Maßgenauigkeit geprüft.
Herstellungsschwierigkeiten von Aluminium-Leiterplatten
Der Herstellungsprozess für fast ausschließlich aus Aluminium bestehende Leiterplatten ist grundsätzlich derselbe. Hier besprechen wir die wichtigsten Herstellungsverfahren, die damit verbundenen Probleme und deren Lösungen.
1: Kupferätzen
Die in Aluminium-Leiterplatten verwendete Kupferfolie ist etwas dicker. Bei Kupferfolien über 3 g ist jedoch beim Ätzen eine Breitenanpassung erforderlich. Entspricht diese nicht den Designanforderungen, liegt die Leiterbahnbreite nach dem Ätzen außerhalb der Toleranz. Daher sollte die Leiterbahnbreitenkompensation präzise ausgelegt werden. Die Ätzfaktoren müssen während des Herstellungsprozesses kontrolliert werden.
2: Lötmaskendruck
Aufgrund der dicken Kupferfolie ist der Lötstopplackdruck auf Aluminium-Leiterplatten schwierig. Ist die Kupferleiterbahn zu dick, weist das geätzte Bild einen großen Unterschied zwischen der Grundplatte und der Leiterbahnoberfläche auf, was den Lötstopplackdruck erschwert. Daher wird vorzugsweise der zweistufige Lötstopplackdruck verwendet. Das verwendete Lötstopplacköl sollte von guter Qualität sein. In manchen Fällen wird zuerst das Harz gefüllt und anschließend der Lötstopplack aufgetragen.
3: Mechanische Fertigung:
Der mechanische Fertigungsprozess umfasst Formen, mechanisches Bohren und V-Ritzen usw., die auf der inneren Durchkontaktierung verbleiben. Dies führt tendenziell zu einer Verringerung der elektrischen Festigkeit. Daher sollten für die Fertigung kleiner Stückzahlen professionelle Fräser und elektrische Fräser verwendet werden. Die Bohrparameter sollten angepasst werden, um die Entstehung von Graten zu vermeiden. Dies unterstützt Ihre mechanische Fertigung.
Vorteile von Leiterplatten auf Aluminiumbasis
Leiterplatten mit Metallkern bieten im Vergleich zu anderen Basismaterialien eine Reihe einzigartiger Vorteile.
- Umweltfreundlich
Aluminium ist ein recycelbares, ungiftiges Metall. Vom Hersteller bis zum Endverbraucher trägt die Verwendung von Aluminium in Leiterplatten zu einem gesunden Planeten bei.
- Bessere Wärmeübertragung
Hohe Temperaturen können schwere Schäden an der Elektronik verursachen. Aluminium leitet die Wärme von gefährlichen Teilen weg und minimiert so Schäden an der Leiterplatte.
- Sehr langlebig
Aluminium ist robuster und langlebiger als Grundmaterialien wie Fiberglas und Keramik. Es ist sehr gut verarbeitet und reduziert versehentliche Brüche, die während des Herstellungsprozesses, bei der Handhabung und im täglichen Gebrauch auftreten können.
- Leichtgewicht
Das Aluminiummaterial selbst ist sehr leicht. Es verleiht Leiterplatten Haltbarkeit und Festigkeit, ohne zusätzliches Gewicht hinzuzufügen.
Leistung von Aluminium-Leiterplatten
Dimensionsstabilität
Aluminium-Leiterplatten zeichnen sich durch Dimensionsstabilität und konstante Größe aus. Beispielsweise verändern sich ihre Abmessungen bei einer Erwärmung von 30 auf 140 Grad Celsius nur um 2.5 bis 3.0 Prozent.
Wärmeableitung
Die Wärmeableitungsleistung von Aluminium-Leiterplatten ist im Vergleich zu herkömmlichen FR4-Leiterplatten recht gut. Beispielsweise weist eine 4 mm dicke FR1.5-Leiterplatte einen Wärmewiderstand von 20–22 Grad pro Watt auf, während eine 1.5 mm dicke Aluminium-Leiterplatte einen Wärmewiderstand von etwa 1–2 Grad pro Watt aufweist.
Wärmeausdehnung
Jeder Stoff hat seinen eigenen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Der WAK von Kupfer (18 ppm/°C) und Aluminium (22 ppm/°C) liegt recht nahe beieinander. Da Aluminium-Leiterplatten eine hervorragende Wärmeableitung aufweisen, treten bei ihnen keine nennenswerten Probleme mit Kontraktion oder Ausdehnung auf. Sie sind äußerst langlebig, zuverlässig und bieten eine hervorragende Leistung.
Aluminium-PCB-Anwendungen
Hier ist eine Liste gängiger Anwendungen für Leiterplatten mit Aluminiumkern:
• Medizinisch: Operationssaalbeleuchtung, chirurgische Beleuchtungswerkzeuge, Hochleistungs-Scantechnologie. und Stromrichter.
• Verbraucher: Straßenbeleuchtung, Verkehrsbeleuchtung, Innenbeleuchtung von Gebäuden, Landschaftsbeleuchtung und Campingausrüstung.
• Leistungsmodule: Einschließlich Halbleiterrelais, Konverter, Brücken und Leistungsgleichrichter.
• Telekommunikation: Einschließlich Hochfrequenzverstärker und Filtergeräte.
• Energieversorgung: Wie etwa Schaltregler und DC/AC-Wandler.
• Automobilindustrie: Einschließlich Leistungssteller. Beleuchtung und elektronische Regler.
• Computers: Wie CPU-Karten, Diskettenlaufwerke und Stromversorgungsgeräte.
• Audiogeräte: wie Eingangs- und Ausgangsverstärker und Leistungsverstärker+Büroautomatisierung, wie Elektromotoren und Antriebe.
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