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Startseite > Blog > Wissensdatenbank > Metallkern-Leiterplatten (MCPCBs) verstehen
Mit der technologischen Weiterentwicklung werden elektronische Geräte immer leistungsfähiger, was verschiedene Probleme, einschließlich Überhitzung, mit sich bringt. Leiterplatten mit Metallkern (PCBs), auch bekannt als Metallkern-PCBs oder MCPCBs, werden heute zunehmend zu gefragten Komponenten elektronischer Geräte, insbesondere solcher, die ein effektives Wärmemanagement erfordern. Diese Leiterplatten mit Metallkern eignen sich ideal für die Wärmeregelung in kompakten Hochleistungssystemen.
Wir sprechen über die Vorteile von Metallkern-Leiterplatten in elektronischen Geräten und untersuchen Hochleistungselektronikkomponenten, mit denen Sie das Potenzial jedes Elektronikprojekts maximieren können. Unabhängig davon, ob Sie mit einer Aluminium-Leiterplatte, einer Kupferkern-Leiterplatte oder einer Hybrid-Metallkern-Leiterplatte arbeiten, ist die Wahl des richtigen Herstellers von Metallkern-Leiterplatten oder MCPCBs entscheidend.
Es gibt verschiedene Bezeichnungen für diese Art von Leiterplatte, darunter isolierte Metallsubstrat-Leiterplatte, aluminiumbeschichtete Leiterplatte, Aluminiumbasis und metallische Leiterplatte. Alle diese Begriffe beziehen sich auf verschiedene Arten von Leiterplatten mit Metallkern, die meist identische Vorteile und Eigenschaften aufweisen.
Leiterplatten mit Metallkern verfügen, wie der Name schon sagt, über einen Metallkern in der Nähe des Wärmeableiters. Der Metallkern kann mittig unter der Platine oder außen auf der Rückseite platziert werden. Dieses Design ist bei verschiedenen Metallleiterplattenvarianten einheitlich, sowohl bei Aluminium- als auch bei Kupferkern-Leiterplatten.
Metall hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit, die für eine Leiterplatte entscheidend ist. Der Metallkern spielt eine wichtige Rolle in Kühlsystemen, indem er die Wärme von der Hauptelektronik der Leiterplatte zu wichtigen Komponenten wie der metallischen Kühlkörperrückseite oder dem Kern ableitet.
Abhängig vom Einsatzzweck der Zielelektronik können Leiterplatten mit Metallkern ein- oder doppelseitig sein. Mehrschichtige Leiterplatten mit Metallkern sind jedoch aufgrund der Komplexität des Herstellungsprozesses nicht weit verbreitet.
Typische Leiterplatten bestehen aus FR4 oder CEM3, während Metallkern-Leiterplatten stattdessen über metallische Kerne verfügen. Neben der Wärmeableitung bieten Metallkern-Leiterplatten mechanische Stabilität und gewährleisten die elektrische Isolierung zwischen Schaltungsschichten und Komponenten.
Leiterplatten mit Metallkernen können Aluminium-, Kupfer- oder Metallkerne aufweisen. In manchen Fällen können Metallkerne Mischungen verschiedener Speziallegierungen sein. Beispielsweise können Messing oder Stahl verwendet werden, dies wird jedoch aufgrund ihrer Härte nicht empfohlen, da sie das Zerlegen der Leiterplatte in mehrere Teile erschweren.
Aluminiumkern-Leiterplatten sind die gängigste Art von Metallkern-Leiterplatten. Sie leiten die von den wärmeintensiven Komponenten erzeugte Wärme effizienter von der Platine ab. Dies ermöglicht eine gleichmäßigere Wärmeverteilung auf der gesamten Leiterplatte.
Einige Leiterplatten verfügen außerdem über Kupferkerne, die die Wärmeleitfähigkeit verbessern und dazu beitragen, die Betriebstemperaturen innerhalb der Komponenten zu senken.
Obwohl Kupfer eine ausgezeichnete Wahl für elektronische Geräte ist, die zu Überhitzung neigen, ist es im Vergleich zu Aluminium eine teure Option. Hersteller von Leiterplatten mit Metallkern verwenden Kupferkerne hauptsächlich in folgenden Situationen:
● Einseitig, einlagig: Eine Leiterplatte, die zu Kühlzwecken mit einer einzelnen Sockelschicht aus Kupfer ausgestattet ist.
● Kupfergefüllte Laser-Thermovia-Matrix: In Leiterplatten auf Metallbasis werden mit Kupfer gefüllte Durchkontaktierungen per Laser gebohrt, wodurch ein Netzwerk entsteht, das die Wärmeleitung im Vergleich zu normalen Durchkontaktierungen verbessert.
● Doppelseitiger Sockel: Bei einer doppelseitigen Leiterplatte befindet sich auf beiden Seiten ein Sockel auf Kupferbasis zur schnelleren Wärmeableitung.
Die Struktur einer typischen Leiterplatte mit Metallkern umfasst eine Lötmaskenschicht, eine dielektrische Schicht und einen Metallkern an der Unterseite.
Die erste Schicht ist die Lötstopplackschicht, gefolgt von einer Leiterbahn- und Kupferschicht. Diese Schichten liegen auf einem dazwischenliegenden Dielektrikum, einer Metallkernschicht. Die obere Kupferschicht besteht aus einem dünnen Kupferfilm mit Leiterbahnen. Die Dicke dieser Schicht variiert zwischen 1 und 4 Unzen (Unzen pro Quadratfuß).
Die innerste Schicht fungiert als dielektrische Schicht. Sie isoliert den Metallkern vom Kupferfilm und erleichtert gleichzeitig die Wärmeübertragung zwischen den Schichten.
Der Metallkern ist die unterste Schicht. Das verwendete Metall ist üblicherweise Aluminium und seine Dicke variiert zwischen 1 mm und 3.2 mm. Der Metallkern fungiert als Wärmeverteiler, der die Wärme der wärmeerzeugenden Komponenten aufnimmt und ableitet. Er ist die dickste Schicht einer Leiterplatte und verleiht ihr Stabilität und sorgt dafür, dass sie flach bleibt.
Der Kern macht die Leiterplatte dick genug, um mit allen Standard-Platinenmontageteilen kompatibel zu sein, und der freiliegende Metallteil der Platine ist nicht mit einer Oberflächenbeschichtung oder Lötmaske bedeckt.
Der Metallkern der Metallkern-Leiterplatte weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, typischerweise zwischen 1 W/mK und 9 W/mK. Die hohe Wärmeleitfähigkeit in Kombination mit einer dünnen Isolationsschicht von etwa 100 µm ermöglicht der Platine eine schnelle Wärmeableitung.
Metallkern-Leiterplatten werden aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleistung, der besseren kapazitiven Kopplung und der hohen elektromagnetischen Abschirmung häufig in elektronischen Geräten eingesetzt. Lassen Sie uns die Vorteile von Metallkern-Leiterplatten genauer betrachten:
Metall ist für seine hohe Wärmeleitfähigkeit bekannt, weshalb MCPCBs ideal für Geräte mit hohen Temperaturanforderungen sind. Die Komponenten erleichtern die Wärmeübertragung im Gerät und reduzieren so lokale Erwärmungsprobleme. Dank ihrer Wärmeleitfähigkeit eignen sich Metallkern-Leiterplatten ideal für Hochleistungsschaltungen.
Ein Wärmeentwicklungsexperiment wurde an 1-W-LED-Leuchten durchgeführt, die entweder mit einer Metallkern-Leiterplatte oder einer FR-4-Leiterplatte ausgestattet waren. Die Metallkern-Leiterplatte wurde kaum oder gar nicht überhitzt, während die FR-4-Leiterplatte bis zu 37 °C überhitzte.
Hersteller von LED-Technologie, insbesondere Hersteller von Hochleistungs-LED-Beleuchtung, haben in den letzten Jahren auf das Problem der Überhitzung hingewiesen.
Leistungsstarke elektronische Geräte neigen ohne effiziente Wärmeableitung zu Fehlfunktionen. Metallkern-Leiterplatten lösen dieses Problem, indem sie die Wärme über den Metallkern gleichmäßig im Gerät verteilen und so Hitzeschäden minimieren.
Aluminium ist ein leichtes Material, das der Leiterplatte Stabilität verleiht, ohne das Gewicht des gesamten elektronischen Geräts zwangsläufig zu erhöhen. Dadurch ist die Leiterplatte ideal für Hochleistungs-LED-Beleuchtung.
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Leiterplatten mit Metallkern weisen eine relativ höhere Dimensionsstabilität auf als Leiterplatten aus herkömmlichen Materialien wie FR-4, insbesondere unter schwankenden Umgebungsbedingungen.
Beispielsweise zeigte ein metallisches PCB-Material, das Erhitzungsprozessen im Bereich von 30 °C bis 150 °C ausgesetzt war, eine Dimensionsänderung zwischen 2.5 % und 3.5 % im Vergleich zum herkömmlichen Material, das sich auf etwa 4 % ausdehnte.
Leiterplatten mit Metallkern, wie Aluminium oder Kupfer, können aufgrund ihrer überlegenen thermischen Stabilität dieser thermischen Belastung jedoch effektiv standhalten und ihre Konsistenz bei unterschiedlichen Temperaturen beibehalten. Diese Stabilität verringert das Risiko einer Verformung der Leiterplatte bei hohen Temperaturen.
Herkömmliche Leiterplatten bestehen hauptsächlich aus empfindlichen Materialien wie Keramik und Glasfaser, die schwach und zerstörbar sind. Leiterplatten mit Metallkern hingegen sind dank des Metallkerns stabiler.
Metallplatinen verringern das Risiko von Brüchen oder Beschädigungen während der Herstellung und Montage der Platine. Sie verlängern die Lebensdauer des Geräts.
Die Qualität stellt sicher, dass die Leiterplatte dem mechanischen Druck während der Herstellung standhält. Die Haltbarkeit und Festigkeit der Elektronik stellen sicher, dass sie bei mechanischer Belastung nicht bricht.
Leiterplattenvarianten mit Metallkern sind leichter und daher kostengünstiger.
Aluminium lässt sich leichter raffinieren und ist daher eine kostengünstige Wahl für Leiterplattensubstrate. Dadurch werden die Herstellungskosten für aluminiumbasierte Leiterplatten gesenkt.
Daher stellen Aluminiumplatinen eine kostengünstige Alternative zu sperrigeren und teureren Optionen dar.
Aluminium ist ein recycelbares Material, was Leiterplatten mit Metallkern umweltfreundlicher und kostengünstiger macht. Es ist eines der am häufigsten recycelten Materialien weltweit und kann ohne Qualitätsverlust wiederholt recycelt werden.
Metallkern-Leiterplatten werden basierend auf der unterschiedlichen Position des Metallkerns in MCPCBs in verschiedene Typen eingeteilt. Zu den verschiedenen Arten von Metallkern-Leiterplatten gehören:
Wie der Name schon sagt, besteht eine einschichtige MCPCB aus einer einzigen leitfähigen Kupferschicht. Darauf folgt eine Metallgrundplatte, die der Leiterplatte Stabilität verleiht.
Die wärmeleitende Schaltungsschicht isoliert die Leiterplatte und eignet sich daher für einfachere Anwendungen, bei denen eine Überhitzung keine Rolle spielt.
Der Kern besteht üblicherweise aus Aluminium. Die Grundstruktur einer einlagigen Leiterplatte besteht aus einem Metallkern (meist Aluminium) und einer dielektrischen bzw. isolierenden Schicht. Diese Struktur eignet sich am besten für Audiogeräte, Sensoren, Verpackungsanlagen und Fahrzeugrelais.
Eine doppelseitige Leiterplatte besteht aus zwei Schichten, wobei der Metallkern zwischen diesen Kupferschichten liegt und durch durchkontaktierte Löcher (Plated Through Holes, PTH) miteinander verbunden ist, die die Kupferschichten verbinden.
Hersteller von Metallkern-Leiterplatten können die Doppelseite der Leiterplatte zur Montage von SMT- und THT-Komponenten nutzen. Doppelseitige MCPCBs werden in komplexen Schaltungsdesigns mit Leiterbahnen auf beiden Seiten des Metallkerns eingesetzt.
Das Laminieren der beiden Kupferschichten auf den Kupferkern erfordert sowohl Material als auch Fachwissen. Einige Anbieter von Metallkern-Leiterplatten bieten vorlaminierte Folien für die Metallabdeckung an, was den Prozess vereinfacht.
Wie der Name schon sagt, enthält eine mehrschichtige Metallplatine mehr als zwei leitfähige Schichten. Die Metallbasis befindet sich unten, sodass Hersteller ihre Komponenten auf nur einer Seite der Platine montieren können.
Bei mehrschichtigen Leiterplatten befindet sich der Metallkern zwischen den anderen Schichten, wobei sich unter und über dem Kern die gleiche Anzahl von Schichten befindet. Beispielsweise hätte eine metallische Leiterplatte mit 12 Schichten genau 6 Schichten über und unter ihrem Metallkern.
Wenn eine thermoelektrische Trennung erforderlich ist, kommt eine Chip-on-Board-MCPCB zum Einsatz. Sie spart Platz und bietet gleichzeitig hohe Leistung.
Bei herkömmlichen metallischen Leiterplatten befindet sich zwischen den Kupferleiterbahnen und dem Metallkern eine dielektrische Schicht, die aufgrund der isolierenden Eigenschaften der dielektrischen Schicht die Wärmeleitfähigkeit begrenzt.
COB-MCPCBs hingegen verfügen über einen Chip auf dem Metallkern, der die Wärmeableitung erleichtert. Dieser Aufbau stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem Chip und den Leiterbahnen der Leiterplatte her.
Leiterplatten mit Metallkern werden auf die gleiche Weise wie herkömmliche Leiterplatten hergestellt, abgesehen von einigen unterschiedlichen Schritten, die durch das Hinzufügen eines Metallkerns entstehen.
Der Prozess beginnt mit der Auswahl eines geeigneten Materials für die MCPCB, je nach Einsatzgebiet. Die Anwendung einer bestimmten Leiterplatte bestimmt, welches Material für Kern, Isolationsschicht und Kupferfolie am besten geeignet ist.
Die Materialauswahl basiert normalerweise auf der erforderlichen Wärmeleitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante und den erforderlichen mechanischen Eigenschaften.
Vor dem Platzieren und Fräsen des Metalls bohren Hersteller von Metallkernen mit computergesteuerten Bohrmaschinen Löcher in den Metallkern, um Konsistenz und Genauigkeit zu maximieren. Die Bohrmaschine wählt automatisch den richtigen Bohrer aus und lädt den Bohrkopf in die Maschine.
Obwohl Bohrmaschinen mit Hochgeschwindigkeit bohren, ist dies ein zeitaufwändiger Vorgang, da jedes Loch einzeln gebohrt werden muss.
Der Metallkern wird mit einer dünnen Kupferschicht überzogen. Dies geschieht durch Galvanisieren, ein Verfahren, bei dem Metall elektrolytisch abgeschieden wird.
Die Kupferschichten sind mit einer Schicht optisch aktiver organischer Schicht, dem sogenannten Fotolack, bedeckt. Nach der UV-Bestrahlung wird das Muster der äußeren Schicht auf die Platinenoberfläche aufgebracht. Durch die UV-Bestrahlung der Struktur über eine Fotomaske entsteht ein Kupferleiterbahnmuster.
Bereiche, auf die kein Fotolack aufgetragen wurde, werden geätzt, um überschüssiges Kupfer zu entfernen. Dabei bleibt das Kupferspurmuster intakt und überschüssiges Kupfer auf der Platine wird beseitigt.
Auf den Metallkern wird beidseitig eine Hochtemperatur-Polymerschicht, auch Isolationsschicht genannt, auflaminiert. Dieser Schritt stellt sicher, dass die Kupferleiterbahnen mit der Isolationsschicht bedeckt sind.
Auf beiden Seiten der Metallplatine wird eine Lötstopplackschicht aufgetragen. Dabei handelt es sich um eine schützende, fotografische Lackschicht, die die Platine vor Schäden durch Oxidation und Umwelteinflüsse schützt. Somit bleibt die Platine vor Staub und anderen Komponenten geschützt.
Hersteller von Leiterplatten mit Metallkern lassen Öffnungen in der Lötmaskenschicht, um die Platzierung und das Löten der Komponenten zu erleichtern.
Das Fräsen erfolgt am Ende des Produktionsprozesses, um die Kontur der Leiterplatte zu erstellen. Dies geschieht typischerweise mit einer computergesteuerten CNC-Maschine oder einem Fräswerkzeug, das interne Ausschnitte oder Schlitze bohrt. Die Maschine ist so programmiert, dass sie einem in der ursprünglichen Werkzeugdatei vordefinierten Pfad folgt.
Der beim Fräsen entstehende Staub wird von der Bürste in der Nähe des Fräskopfes aufgenommen. Sie nutzt ein staubsaugerähnliches System, um den Staub einzusaugen.
Die Kupferschichten werden mit einer weiteren Schicht aus metallischem oder organischem Material überzogen, die die freiliegenden Kupferschichten vor Oxidation und Umweltschäden schützen soll.
Im letzten Fertigungsschritt wird die Leiterplatte beidseitig v-förmig eingeschnitten. Dadurch bleibt nur eine minimale Materialmenge übrig, sodass Hersteller von Metallkern-Leiterplatten die Leiterplatte vom Produktionspanel trennen können.
Wie jedes elektrische Bauteil muss auch eine Leiterplatte getestet werden, um Qualität und ordnungsgemäße Funktion sicherzustellen.
Hersteller von Metallkern-Leiterplatten führen elektrische Tests an Leiterplatten mit Flying-Probe-Testern für komplexe Leiterplatten durch. Darüber hinaus können sie Universal Grid-Tester einsetzen, um große Chargen von Leiterplatten zu testen.
Mit diesem Test wird überprüft, ob die elektrische Sicherheit von Leiterplatten mit Metallkern den angegebenen Eigenschaften und Isolationsleistungsstandards entspricht. Dabei werden der Isolationswiderstand und die Durchschlagspannung von Leiterplatten gemessen.
Der Zuverlässigkeitstest kann auch Defekte in der Leiterplatte erkennen, darunter Nadellöcher im Isolator, gebrochene oder beschädigte Isolatoren oder geringe elektrische Abstände zwischen den Komponenten.
Um optimale Leistung und Zuverlässigkeit zu gewährleisten, müssen bei der Herstellung von Metallleiterplatten verschiedene Faktoren berücksichtigt werden. Dazu gehören:
Je höher die Wärmeleitfähigkeit des Kernmaterials ist, desto schneller leitet es die Wärme von der wärmeerzeugenden Komponente im elektronischen Gerät ab.
Daher hängen das Kernmaterial und seine Dicke vom Leistungsbedarf eines Geräts und der Geschwindigkeit ab, mit der die Wärme aus dem Gerät abgeführt werden muss.
Die Leistung der Metallkern-Leiterplatte hängt auch von der Art des Isoliermaterials ab, das bei der Herstellung von MCPCBs die Dielektrizitätskonstante darstellt. Das Isoliermaterial zwischen Kern und Kupferschichten hat eine Dielektrizitätskonstante.
Die Dielektrizitätskonstante beeinflusst den Leitwert einer Metallplatte. Eine höhere Dielektrizitätskonstante erhöht die Kapazität und die Signalübertragung. Eine niedrige Dielektrizitätskonstante verringert die Kapazität einer Metallplatine und die Signalübertragung.
Abhängig von der für eine bestimmte Anwendung erforderlichen Signalübertragung wählt der Hersteller von Leiterplatten mit Metallkern das Isoliermaterial entsprechend seiner Dielektrizitätskonstante aus.
Die Strombelastbarkeit und der Spannungsbedarf einer bestimmten Anwendung bestimmen auch die Größe der Platine sowie den Abstand zwischen zwei Leiterbahnen. Daher wirken sich Abstand und Breite der Platine wahrscheinlich auf die Effizienz aus.
Lötstoppmaske und Siebdruck schützen die Kupferschichten der Platine. Sie dienen zudem der Identifizierung der Platine und der Komponenten durch Farbgebung und Beschriftung. Die Farbe der Maske und des Siebdrucks richtet sich nach den Anforderungen der Anwendung.
MCPCBs sind Stößen, Vibrationen und erheblichen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Daher muss die Platine stabil genug sein, um mechanischen Belastungen standzuhalten. Die Stabilität der Platine hängt vom verwendeten Material, der Kerndicke und der verwendeten Verbindung ab.
Angesichts dieser Faktoren ist es wichtig, mit einem erfahrenen MCPCB-Hersteller zusammenzuarbeiten, der garantiert, dass die Leiterplatte optimale Leistung erbringt und die spezifischen Anforderungen der Anwendung erfüllt.
Um die Anwendungen metallischer Leiterplatten zu verstehen, ist es wichtig, den Unterschied zwischen FR-4-Leiterplatten und metallischen Leiterplatten zu berücksichtigen.
Verschiedene elektronische Geräte benötigen viel Energie zum Betrieb. Dabei entsteht auch eine erhebliche Wärmemenge, die sich manchmal so stark konzentrieren kann, dass sie zu einer Überhitzung führt. In diesem Fall sind Leiterplatten mit Metallkern eine bessere Alternative zu FR-4-Leiterplatten.
Die Vorteile von Metallkern-Leiterplatten liegen in der schnellen Abkühlung und effektiven Wärmeableitung bei Hochleistungsgeräten. Leiterplatten aus Kupfer oder Aluminium verfügen über eine bessere Wärmeleitfähigkeit und Zugfestigkeit sowie eine höhere Durchschlagsspannung, was ideal für schnell aufheizende Geräte ist.
Die wichtigsten Anwendungen und Verwendungszwecke von Metall-Leiterplatten sind unten aufgeführt:
● LED-Beleuchtung
● Halbleiterrelais
● Stromversorger
● Spannungsregler
● Solarmodule
● Photovoltaikzellen
● Motorsteuerung in Hybrid-Elektrofahrzeugen.
Leiterplatten mit Metallkern werden häufig in Anwendungen eingesetzt, die eine effiziente Wärmeableitung erfordern, wie etwa LED-Beleuchtung, Automobilelektronik und Leistungselektronik, wo Überhitzung zu Geräteschäden führen kann.
Der Metallkern fungiert als Kühlkörper und verteilt die Wärme an die Umgebung, im Gegensatz zu herkömmlichen Leiterplatten mit einem nichtleitenden Substrat wie FR4.
Insgesamt bieten Leiterplatten mit Metallkern aufgrund ihrer überlegenen Wärmemanagementfähigkeiten und mechanischen Leistung eine zuverlässige und effiziente Lösung für verschiedene elektronische Anwendungen.
Zu den am häufigsten in Leiterplatten verwendeten Metallkernen gehören Aluminiumkerne, da sie vergleichsweise günstiger sind als andere Metalle. Außerdem leiten sie Wärme effektiver ab als andere. Je nach Komplexität des Geräts können jedoch auch andere Metalle wie Kupfer und Stahl verwendet werden.
Ja, Leiterplatten mit Metallkern übertreffen herkömmliche FR4-Leiterplatten hinsichtlich erhöhter Wärmeleitfähigkeit, Haltbarkeit und verbesserter Frequenz. Die meisten Hersteller bevorzugen jedoch FR4 gegenüber Metallleiterplatten, da sie günstiger sind und so zur Kostensenkung beitragen.
Einer der Hauptgründe für die weit verbreitete Verwendung von Metallkern-Leiterplatten ist der Schutz Ihrer Geräte vor zu schneller Erwärmung. Der Metallkern absorbiert Wärme und leitet sie effizient ab, wodurch das Gerät vor Überhitzung geschützt bleibt. Darüber hinaus verbessern diese Leiterplatten die Wärmeleitfähigkeit und verlängern so die Lebensdauer des Geräts.
Ja, SMT-Prozesse können auf Leiterplatten mit Metallkern angewendet werden. Allerdings unterliegen SMT-Prozesse dem unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Metalls im Vergleich zum Kernmaterial.
Metallleiterplatten unterscheiden sich aufgrund der verwendeten Materialien und des Herstellungsprozesses. Dadurch sind Metallkernleiterplatten teurer als Standardleiterplatten. Metallkernleiterplatten sind jedoch aufgrund ihrer verbesserten Leistung und Zuverlässigkeit eine lohnende Investition.
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