Was Sie über Metallkern-Leiterplatten wissen sollten

Metal Core PCB (MCPCB) ist eine Art von Leiterplatte, die ein metallisches Basismaterial wie Kupfer, Aluminium oder Stahllegierung anstelle der traditionellen verwendet FR4 Material. Wie der Name schon sagt, enthalten MCPCBs eine Metallkernschicht, die ihnen eine effektivere Wärmeableitung als herkömmliche Leiterplatten ermöglicht. Dank ihrer überlegenen Wärmeableitungseigenschaften sind MCPCBs in den letzten Jahren immer beliebter geworden. In diesem Artikel stellen wir Ihnen weitere Details zu Metallkern-Leiterplatten vor, darunter ihre Funktionen, Vorteile, Anwendungen usw. Lesen Sie weiter.

Grundlagen Wissen über Metallkern PCB

Lassen Sie uns zunächst einige grundlegende Informationen zu Leiterplatten mit Metallkern wissen:

Grundstrukturen einer MCPCB

Loetmaske

Schaltungsschicht

Kupferschicht

Dielektrische Schicht

Metallkernschicht

Kühlkörper

Für MCPCB verwendetes Material

In den meisten Fällen werden Aluminium und Kupfer als Materialien für den Metallkern verwendet, während andere auch andere leitfähige Metalle und eine Mischung aus Speziallegierungen verwenden. Verschiedene Metalle haben unterschiedliche Eigenschaften. Beispielsweise ist Aluminium günstiger als Kupfer, Kupfer weist jedoch eine bessere Wärmeableitung auf. Edelstahl hat einen niedrigen Wärmeleitfähigkeit aber es ist steifer. Daher sollten bei der Auswahl der Materialien für den Metallkern die Anwendung und Nutzungsumgebung der Leiterplatte berücksichtigt werden.

Verschiedene Arten von MCPCB

Je nach Lage des Metallkerns und Anzahl der Leiterbahnschichten können wir die Leiterplatte mit Metallkern in vier Typen unterteilen:

Einschichtige MCPCB: Bezieht sich auf die MCPCB mit nur einer einzigen Leiterbahnschicht auf einer Seite.

Doppelschicht-MCPCB: Diese Art von MCPCB hat zwei Leiterbahnschichten auf derselben Seite.

Doppelseitige MCPCB-Schicht: Bei diesem MCPCB-Typ gibt es auf jeder Seite zwei Leiterbahnschichten.

Mehrschichtig MCPCB: Bezieht sich auf den Typ einer Leiterplatte mit Metallkern und mehr als 2 Leiterbahnschichten pro Platine.

Eigenschaften von Metallkern-Leiterplatten

In diesem Abschnitt werfen wir einen Blick auf die Funktionen von MCPCB:

1. Dicke der Metallkern-Leiterplatte

Bei Aluminium als Metallkern beträgt die Dicke 0.8–2.0 mm. Bei Kupfer beträgt die Dicke 1–5 mm. Metallkerne können jedoch von diesen Abmessungen abweichen. Daher sind dickere und dünnere Platten möglich.

2. Wärmeleitfähigkeit von Leiterplatten mit Metallkern

Die Wärmeleitfähigkeit des Materials gibt an, wie gut es Wärme durchlässt. Sie beschreibt also die Fähigkeit eines Materials, Wärme abzuleiten. Die Wärmeleitfähigkeit von Leiterplatten mit Metallkern liegt typischerweise zwischen 1.5 W/(m·K) und 2.0 W/(m·K).

3. Abziehfestigkeit von Leiterplatten mit Metallkern

Dies ist die Kraft, die zum Entfernen von Material von einer befestigten Oberfläche erforderlich ist. Die Abziehfestigkeit von MCPCB liegt typischerweise über 9 lb/in.

In der folgenden Tabelle listen wir auch einige weitere Merkmale von Leiterplatten mit Metallkern auf, damit Sie sich ein klares Bild davon machen können.

Vorteile von Leiterplatten mit Metallkern

Neben der hervorragenden Wärmeableitung bieten Metallleiterplatten viele weitere Vorteile, wie beispielsweise eine höhere Leistungsdichte und eine bessere kapazitive Kopplung. Hier erläutern wir die vier Vorteile im Detail:

1. Wärmeableitung

Leiterplatten mit Metallkern haben eine höhere Wärmeleitfähigkeit und können Wärme um ein Vielfaches schneller übertragen als Leiterplatten aus FR-4. Aufgrund der hohen Wärmeübertragungseffizienz kann bei Metallleiterplatten zudem eine dünne Kupferschicht verwendet werden, was die Gesamtkosten senkt. Dicke der Leiterplatte und seine Herstellungskosten.

2. Dimensionsstabilität

Bei Leiterplatten aus herkömmlichen Materialien wie FR4 werden die Abmessungen durch Änderungen der Einsatzumgebung, beispielsweise durch steigende Temperaturen, beeinflusst, während Leiterplatten mit Metallkern relativ stabil sind. Experimente zeigen, dass die Maßänderung von Leiterplatten mit Metallschichten bei einer Temperaturänderung von 2.5 °C auf 3.0 °C im Bereich von 30 % bis 150 % liegt.

3. Höhere Recyclingfähigkeit

Metall-Leiterplatten zeichnen sich durch eine höhere Recyclingfähigkeit aus, da viele Metalle umweltfreundlich sind. Sie sind ungiftig und können problemlos recycelt werden. Aluminium beispielsweise ist einerseits sehr leicht zu recyceln, andererseits ist es günstiger als Kühlkörper, da es leicht abgebaut und raffiniert werden kann. Daher können wir Aluminium PCB als kostengünstige Alternative.

4. Längere Lebensdauer

Leiterplatten mit Metallkern haben eine längere Lebensdauer, da sie stärker und langlebiger sind als Leiterplatten aus Keramik und Glasfaser. Da wir alle wissen, dass Metalle robust sind und physischen Stößen standhalten können, werden Metalle als Materialien für Herstellung von Leiterplatten kann das Bruchrisiko während der Herstellungs- und Montagephasen verringern, was auch die Endprodukte stabiler macht.

Metallkern-Leiterplatte vs. Standard-Leiterplatte

In diesem Abschnitt werden wir einen Vergleich zwischen MCPCB und Standard-PCB anstellen.

1. Leitfähigkeit

Standard-PCBs haben eine niedrige Wärmeleitfähigkeit von etwa 0.3 W. MCPCBs haben hingegen eine höhere Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 1–2 W.

2. Durchkontaktierte Löcher

Bei Standard-Leiterplatten müssen wir oft durchkontaktierte Löcher verwenden. Bei MCPCB sind diese jedoch nicht unbedingt erforderlich.

3. Thermische Entlastung oder Wärmeableitung

Bei Standard-Leiterplatten müssen wir Vias zur Wärmeableitung verwenden. Dies erfordert längere Bohrzyklen und zusätzliche Prozesse. Bei MCPCB hingegen sind weder Via-Bohrungen noch Beschichtungs- oder Abscheidungsprozesse erforderlich. Der Metallkern ermöglicht nämlich eine effiziente Wärmeableitung und -entlastung.

4. Loetmaske

Die Lötstoppmaske ist bei Standard-Leiterplatten üblicherweise dunkel gefärbt. Die Farben sind daher üblicherweise Schwarz, Grün, Blau und Rot. Daher tragen wir die Lötstoppmaske oben und unten auf. Bei MCPCB hingegen tragen wir die Lötstoppmaske nur oben auf und sie ist in der Regel weiß.

5. Materialstärke

Standard-Leiterplatten sind aufgrund der Verwendung von Lagenaufbauten und verschiedenen Materialkombinationen in unterschiedlichen Dicken erhältlich. Bei MCPCBs ist die Dickenvariation jedoch in der Regel aufgrund der verfügbaren Dicken der dielektrischen Folien und Trägerplatten begrenzt.

6. Bearbeitungsprozess

Standard-Leiterplatten werden mit herkömmlichen Bearbeitungsverfahren wie Fräsen, Senken, Bohren und V-Ritzen bearbeitet. Für das V-Ritzen von MCPCBs benötigen wir jedoch ein diamantbeschichtetes Sägeblatt. Denn das Schneiden von Metallen erfordert scharfe Werkzeuge.

Anwendungen von Metallkern-Leiterplatten 

Leiterplatten mit Metallkern sind aufgrund ihrer hervorragenden Leistung beliebt und werden in verschiedenen Branchen häufig eingesetzt:

LED-Leuchten: MCPCBs eignen sich häufig für Anwendungen, die viel Wärme erzeugen, die sich mit herkömmlichen Lüftern nicht beseitigen lässt. MCPCBs finden sich häufig in LED-Technologien, da sie es ermöglichen, die Anzahl der für eine bestimmte Beleuchtungsstärke benötigten LEDs zu reduzieren und so die erzeugte Wärmemenge zu verringern.

Automobil: In Kfz-Stromaufbereitungsanlagen, Zündungen, Wechselkonvertern, variablen Optiken usw. werden allesamt Metall-Leiterplatten verwendet.

Stromversorgungsgeräte: Stromrichter, Schaltregler, hochdichte Stromrichter und andere Geräte erfordern die Verwendung von Leiterplatten mit Metallkern.

Militär und Luft- und Raumfahrt: Leiterplatten in Militär- und Luft- und Raumfahrtanwendungen müssen extremen Temperaturen, Temperaturschwankungen und Feuchtigkeit standhalten. Darüber hinaus müssen sie häufigen mechanischen Stößen standhalten. Daher verwenden wir Leiterplatten mit Metallkern, da diese diese Anforderungen erfüllen und eine höhere strukturelle Integrität gewährleisten. Die hohe Wärmeleitfähigkeit von MCPCB sorgt für eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf diesen Leiterplatten. Dadurch sind sie temperaturwechselbeständiger und verhindern so die Bildung von Hotspots in der Nähe aktiver Komponenten.

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