Was ist eine Leiterplatte auf Aluminiumbasis?

Definition von Leiterplatten auf Aluminiumbasis

PCBs auf Aluminiumbasis (Aluminium gedruckte Schaltplatten) sind metallbeschichtete Leiterplatten, die Aluminiumlegierungen als Basissubstratmaterial verwenden und damit das Epoxidharz-Glasfasersubstrat herkömmlicher Leiterplatten ersetzen. Diese spezielle Struktur macht sie zu einer idealen thermischen Lösung für leistungsstarke elektronische Geräte, die sich besonders für Anwendungen mit hoher Wärmeentwicklung eignen, wie z. B. Hochleistungs-LED-Beleuchtung, Elektronische Steuerungssysteme für Kraftfahrzeugeundgnale Pfade mit CAD-Software industrielle Energieanlagen.

The Wärmeleitfähigkeit of aluminum-based PCBs typically reaches 160-200 W/m·K, which is over 500 times higher than that of traditional FR-4 material (0.2-0.3 W/m·K). This effectively reduces the operating temperature of components and significantly extends device service life.

Dreischichtige Struktur von Leiterplatten auf Aluminiumbasis

1. Schicht (Kupferfolienschicht)

• MaterialHochreine elektrolytische Kupferfolie (typischerweise 1 oz bis 4 oz dick)
• Funktion: Bildet elektrische Verbindungskreise und trägt elektronische Bauteile.
• Prozess: Durch Ätzen hergestellte Präzisionsschaltungsmuster

2. Isolierschicht (dielektrische Schicht)

• Material: Spezielles Epoxidharz oder Polyimid, gefüllt mit Keramikpulver
• Funktion: Bietet sowohl elektrische Isolierung als auch Wärmeleitung.
• Merkmale: Breakdown voltage >2kV, thermal conductivity 1-10 W/m·K

3. Metallunterlage (Aluminiumträger)

• MaterialAluminiumlegierungen wie 5052, 6061
• FunktionMechanische Unterstützung und Wärmeableitung im Kernbereich
• Merkmale: Density ~2.7g/cm³, balancing strength and weight

Aluminium-basierte Leiterplatte im Vergleich zu herkömmlicher FR-4-Leiterplatte

Charakteristischer Parameter	Aluminium-basierte Leiterplatte	Herkömmliche FR-4-Leiterplatte
Wärmeleitfähigkeit	160-200 W/m·K	0.2-0.3 W/m·K
Wärmeausdehnungskoeffizient	Passt zu Chips	Bei Fehlanpassungen muss thermische Belastung berücksichtigt werden.
Mechanische Festigkeit	Hoch, vibrationsfest	Mittel, neigt zu Rissbildung
Gewichtsvergleich	Leichtbauweise	Relativ schwerer
Kostenanalyse	30 % bis 50 % höher	Geringere Kosten
Geeignete Leistungsstufe	Hochleistungsanwendungen	Anwendungen mit geringer bis mittlerer Leistung

Sechs wesentliche Vorteile von Leiterplatten auf Aluminiumbasis

1. Außergewöhnliche thermische Leistung

The metal base enables efficient heat conduction. A 1mm thick board can dissipate 3W/cm² of heat under natural cooling conditions, 6 times better than FR-4 substrates. In LED applications, this can reduce chip junction temperature by 25°C, extending lifespan from 30,000 hours to 50,000 hours.

2. Hervorragende mechanische Stabilität

Das Substrat aus Aluminiumlegierung bietet eine hochfeste Stütze mit hervorragender Vibrations- und Stoßfestigkeit und eignet sich für raue Umgebungen wie die Automobilelektronik.

3. Ökologische Nachhaltigkeit

Aluminium ist zu 100 % recycelbar, entspricht den RoHS-Umweltstandards und verursacht bei der Herstellung keine giftigen Emissionen.

4. Leichtbauweise

With a density of only 2.7g/cm³, aluminum provides structural strength while enabling lightweight designs, particularly suitable for portable devices and automotive electronics.

5. Gute Dimensionsstabilität

Eine geringe Verformungsrate bei Temperaturschwankungen gewährleistet die genaue Positionierung von Präzisionskomponenten.

6. Verlängerte Lebensdauer der Komponenten

Ein ausgezeichnetes Wärmemanagement verhindert Schäden an Komponenten durch Überhitzung und erhöht die Gesamtlebensdauer des Geräts um über 30 %.

Hauptanwendungsbereiche von Leiterplatten auf Aluminiumbasis

LED-Beleuchtungslösungen

• Hochleistungs-LED-LampenStraßenbeleuchtung, Industrie- und Bergbauleuchten, Landschaftsbeleuchtung
• AutomobilbeleuchtungScheinwerfer, Tagfahrlicht, Innenbeleuchtung
• Kommerzielle DisplaysLED-Werbeanzeigen, Hintergrundbeleuchtungsmodule

Elektronische Systeme für Kraftfahrzeuge

• Antriebsstrang-SteuerungssystemeMotorsteuergerät, Getriebesteuerung
• SicherheitssystemeABS-Steuergeräte, Airbagsysteme
• Neuenergie-FahrzeugeBatteriemanagementsysteme, DC-DC-Wandler

Leistungselektronische Geräte

• Schaltnetzteile: Server-Netzteile, industrielle Netzteile
• WechselrichtersystemeSolarwechselrichter, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV)
• Motorische Antriebe: Industrielle Frequenzumrichter, Servoantriebe

Kommunikation und Unterhaltungselektronik

• 5G-Kommunikationsausrüstung: Basisstations-Leistungsverstärker, HF-Module
• High-End-AudioLeistungsverstärker, professionelle Audiogeräte
• ComputerausrüstungHochdichte Server, Grafikkarten-Kühlmodule

Herstellungsprozess für Leiterplatten auf Aluminiumbasis

Die Herstellung von Leiterplatten auf Aluminiumbasis kombiniert traditionelle Leiterplattenprozesse mit Metallverarbeitungstechnologien. Zu den wichtigsten Prozessen gehören:

1. Vorbehandlung von Aluminiumsubstraten: Chemische Reinigung und Oberflächenpassivierung
2. Beschichtung der Isolierschicht: Gleichmäßige Anwendung von dielektrischem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
3. Kupferfolienkaschierung: Verbinden einer dreischichtigen Struktur unter hoher Temperatur und hohem Druck
4. Übertragung von SchaltungsmusternBelichtung, Entwicklung und Ätzen zur Bildung von Schaltkreisen
5. Mechanische BearbeitungCNC-Bohren und -Fräsen, Hinweis zur Entsorgung von Aluminiumspänen
6. OberflächenbehandlungAuswahl von ENIG-, OSP-, HASL- und anderen Verfahren
7. Qualitätsprüfung: AOI, Wärmebeständigkeitstest, Spannungsfestigkeitstest

Technische Herausforderungen und Lösungen für Leiterplatten auf Aluminiumbasis

Herausforderungen bei der Kostenkontrolle

PCBs auf Aluminiumbasis kosten 30 % bis 50 % mehr als FR-4-Platinen, was hauptsächlich auf folgende Faktoren zurückzuführen ist:

• Höhere Kosten für Metallsubstratmaterialien
• Kosten für spezielles Isoliermaterial
• Höhere Verschleißraten der Verarbeitungsanlagen

Lösungen: Designoptimierung, Massenproduktion, lokalisierte Beschaffung

Einschränkungen der Designflexibilität

• Schwierigkeiten bei der Implementierung mehrschichtiger Strukturen
• Herausforderungen bei der Feinlinienbearbeitung
• Besondere Überlegungen für Hochfrequenzanwendungen

Lösungen: Hybridstrukturdesign, fortschrittliche Verarbeitungstechniken

Komplexität des Fertigungsprozesses

• Schneller Verschleiß der Bohrkrone aufgrund der Härte von Aluminium
• Delaminierungsrisiken aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten
• Begrenzte Möglichkeiten der Oberflächenbehandlung

LösungenSpezialwerkzeuge, optimierte Prozessparameter, angepasste Oberflächenbehandlungen

Entwicklungstrends und Perspektiven der Branche

Angesichts steigender thermischer Anforderungen durch 5G-Kommunikation, neue Energiefahrzeuge und IoT-Geräte wächst der Markt für Aluminium-basierte Leiterplatten weiter. Zu den technologischen Innovationsrichtungen gehören:

• Höhere WärmeleitfähigkeitEntwicklung neuer Dämmstoffe
• Integriertes DesignIntegration von Aluminiumsubstraten mit Kühlkörpern
• Kostenoptimierung: Massenproduktion und Prozessverbesserungen
• Anwendungserweiterung: Neue leistungsstarke elektronische Geräte