Metallkern-Leiterplatten (MCPCBs) von PCBasic  

Da elektronische Produkte immer leistungsfähiger, kleiner und leistungsfähiger werden, ist die Wärmeableitung zu einem wichtigen Problem geworden, das bei der Leiterplattenkonstruktion gelöst werden muss. Herkömmliche Leiterplattenmaterialien (wie FR-4 und Polyimid) weisen eine schlechte Wärmeleitfähigkeit auf und können die Wärme in Hochleistungsschaltungen nur schwer rechtzeitig ableiten. Dies kann leicht zu einer Überhitzung der Komponenten oder sogar zu deren Beschädigung führen.

Um dieses Problem zu lösen, konzentrierte sich PCBasic auf die Entwicklung und Herstellung von Leiterplatten mit Metallkern (MCPCBs), auch bekannt als Metallkern-PCBs, metallbeschichtete PCBs oder thermische PCBs. Dieser Leiterplattentyp verfügt über eine Metallkernschicht, die Wärme schneller ableitet und so den Schaltungsbetrieb stabiler und zuverlässiger macht. Sie eignet sich hervorragend für den Einsatz in verschiedenen Hochleistungs-Elektronikprodukten.

Was ist MCPCB?

MCPCBs, auch bekannt als PCBs mit isoliertem Metallsubstrat (IMS) oder thermisch beschichtete PCBs, sind eine Art von Leiterplatten mit Metallkern, die speziell zur Lösung des Erwärmungsproblems elektronischer Produkte entwickelt wurden.

Im Gegensatz zu herkömmlichen FR-4-Leiterplatten, deren Basismaterial Harz oder Glasfaser ist, verfügt eine Metallkern-Leiterplatte über eine metallische Basisschicht, die typischerweise aus Aluminium-, Kupfer- oder Stahllegierungen besteht. Diese Metallschicht kann die von den Komponenten erzeugte Wärme schnell ableiten und an den Kühlkörper oder die Metallkernschicht übertragen. Dadurch läuft die Schaltung stabiler und ist weniger anfällig für Überhitzung.

Unter diesen Metallmaterialien wird Aluminium aufgrund seiner guten Wärmeleitfähigkeit, hohen mechanischen Festigkeit und niedrigen Kosten am häufigsten verwendet. Es ist derzeit die gängige Wahl für die Herstellung von MCPCBs.

MCPCBs bestehen aus einer leitfähigen Schicht, einer Wärmedämmschicht und einer Metallsubstratschicht.

Eine Standard-Leiterplatte mit Metallkern besteht aus:

•  Lötmaskenschicht

•  Schaltungsschicht

•  Kupferschicht (1oz–6oz Kupfer, am häufigsten 1–2oz)

•  Dielektrische Isolationsschicht

•  Metallkernschicht (Aluminium, Kupfer oder Stahl) – fungiert als Kühlkörper

•  Optionale Schutzbeschichtung oder Lackierung

Vorteile von MCPCB

Im Vergleich zu herkömmlichen Leiterplatten haben Leiterplatten mit Metallkern die folgenden offensichtlichen Vorteile:

1. Überlegene Wärmeableitung

Aufgrund der Verwendung von Metallmaterialien ist die Wärmeleitfähigkeit von Leiterplatten mit Metallkern (insbesondere Aluminium- und Kupfersubstraten) äußerst gut. Sie kann die von Hochleistungs-LEDs, Leistungsmodulen, Automobilelektronik usw. erzeugte Wärme schnell ableiten, wodurch die Wärmeableitungseffizienz deutlich verbessert und die Schaltung stabiler wird.

2. Geringerer Bedarf an externen Kühlkörpern

Die MCPCB-Platinen leiten die Wärme sehr gut, sodass in vielen Fällen keine zusätzlichen Kühlkörper oder Lüfter erforderlich sind. Dadurch sind die Geräte kleiner, leichter und einfacher aufgebaut.

3. Hohe mechanische Festigkeit

Die Metallkernschicht (insbesondere das Aluminiummaterial) macht die Leiterplatte steifer, hält Belastungen durch Biegung, Vibration und thermische Ausdehnung und Kontraktion stand und ist sowohl bei der Herstellung als auch bei der Verwendung langlebiger.

4. Leicht und umweltfreundlich

Im Vergleich zu Keramik- oder Glasfaserplatten sind Leiterplatten mit Metallkern nicht nur leichter und langlebiger, sondern auch recycelbar und wiederverwendbar. Insbesondere Aluminium, das ungiftig, umweltfreundlich und recycelbar ist, eignet sich hervorragend für eine nachhaltige Fertigung.

5. Dimensionsstabilität

Im Temperaturbereich von 30 °C bis 150 °C behalten Leiterplatten mit Metallkern ihre Abmessungen und Leistung stabil bei und gewährleisten so den langfristigen zuverlässigen Betrieb der Geräte.

Arten von MCPCB

Abhängig von der Konfiguration der leitfähigen und metallischen Schichten können MCPCBs in fünf Haupttypen eingeteilt werden:

1. Einschichtige MCPCB

2. COB MCPCB (Chip-on-Board)

3. Doppelschichtige MCPCB

4. Doppelseitige MCPCB

5. Mehrschichtige MCPCB

Einschichtige MCPCB

Einschichtige MCPCB 

Eine einschichtige Leiterplatte mit Metallkern besteht aus drei Teilen: der Kupferschaltungsschicht, der dielektrischen Isolationsschicht und der metallischen Basis (normalerweise wird Aluminium verwendet). Diese Struktur ist einfach und praktisch, kostengünstig und zuverlässig in der Leistung und eignet sich sehr gut für die Massenproduktion.

Anwendungen:

• LED-Beleuchtung und Lampen mit hoher Helligkeit

• Automobil- und Industrierelais

• Audiogeräte und Verstärker

• Sensoren und Verpackungsmaschinen

Einschichtige MCPCBs von PCBasic werden häufig in der LED-Beleuchtung eingesetzt. Dank ihrer hervorragenden Wärmeableitungsleistung können sie die Temperatur effektiv senken und so die Helligkeit und Langlebigkeit der Lampen gewährleisten.

COB MCPCB

Eine COB MCPCB (Chip-on-Board Metal Core PCB) ist eine spezielle Art von Leiterplatte mit Metallkern. Ihr hervorstechendes Merkmal ist, dass die nackten Chips direkt auf der Metallkernplatte installiert sind, wodurch die dielektrische Sperrschicht der herkömmlichen Struktur überflüssig wird.

Dieses Design ermöglicht den direkten Kontakt des Chips mit der Leiterplatte mit Metallkern, was zu einer schnelleren und effizienteren Wärmeübertragung führt. Die Wärmeleitfähigkeit kann 200 W/m·K übersteigen und entspricht damit fast der des metallischen Grundmaterials selbst.

Die Grundstruktur der COB-Metallkern-Leiterplatte umfasst:

•  Direktes Chip-Bonding auf Metallkern-Leiterplatte

•  Drahtbonden zur Signalverbindung

•  Epoxidharzverkapselung zum Chipschutz

Der Chip ist durch Drahtbonden und Epoxidverkapselung fest auf der MCPCB-Platine eingebettet. Dieses Design kann die Lichtgleichmäßigkeit verbessern und gleichzeitig die Lebensdauer von Hochleistungs-LEDs verlängern.

Die meisten COB-MCPCB-Platinen verwenden Aluminium als Kernmaterial aufgrund seiner guten Wärmeleitfähigkeit, hohen Festigkeit und niedrigen Kosten. Daher ist es für die meisten Hersteller von Leiterplatten mit Metallkern die erste Wahl. Einige High-End-Produkte verwenden auch hochglanzpolierte Aluminium-Leiterplatten mit Silber-/Goldbeschichtung, um die Reflektivität und Wärmeableitung zu verbessern.

Anwendungen:

• LED-Straßenlaternen und Flutlichter

• LED-Hintergrundbeleuchtung und Anzeigemodule

• Netzteile und Konverter

• Autoscheinwerfer und Signalsysteme

• Wachstumslampen für Landwirtschaft und Gartenbau

• Industrielle und architektonische Beleuchtungssysteme

Doppelschichtige MCPCB

Doppelschichtige MCPCB 

Eine doppellagige MCPCB ist eine Leiterplatte mit Metallkern und einer komplexeren Struktur als eine einlagige. Sie besteht aus zwei Kupferleiterbahnen, die beide auf derselben Seite auf die Metallbasis laminiert sind. Die üblicherweise verwendeten Materialien sind Aluminium oder Kupfer. Der Metallkern befindet sich an der Unterseite der Leiterplatte und bietet sowohl guten mechanischen Halt als auch eine schnelle Wärmeableitung.

Im Gegensatz zu doppelseitigen Metallkern-Leiterplatten, bei denen die beiden Kupferschichten auf beiden Seiten des Metallkerns verteilt sind, sind alle elektronischen Komponenten einer doppelschichtigen MCPCB auf derselben Seite installiert, wodurch die Struktur kompakter wird.

Im Vergleich zu einlagigen Metallkern-Leiterplatten ist die Herstellung doppellagiger MCPCBs komplexer. Während der Herstellung ist ein zusätzlicher Laminierungsschritt erforderlich, um die wärmeleitende Schicht fest mit dem Metallsubstrat zu verbinden. Dieser Schritt stellt hohe Anforderungen an die Prozessgenauigkeit und muss sicherstellen, dass die Schichten sowohl isolierend als auch zuverlässig Strom leiten.

Anwendungen von Double Layer MCPCB

• Wechselrichter und Gleichrichter

• Audio-Vorverstärker und Verstärker

• Leistungssteuergeräte und Regler

• Industrielle Automatisierungsausrüstung

• Motortreiber und Kommunikationsmodule

Als professioneller MCPCB-Hersteller verwendet PCBasic eine fortschrittliche Laminierungstechnologie, um sicherzustellen, dass bei jeder doppelschichtigen MCPCB-Platine die wärmeleitende Schicht eng mit dem Metallsubstrat verbunden ist und nicht zur Delaminierung neigt.

Doppelseitige MCPCB

Ähnlich wie doppellagige Metallkern-Leiterplatten bestehen auch doppelseitige Metallkern-Leiterplatten aus zwei Kupferleiterschichten. Der Metallkern befindet sich jedoch zwischen diesen beiden Schichten. Mit anderen Worten: Auf der Ober- und Unterseite der Metallkernschicht befinden sich Leiterbahnen, die über plattierte Durchkontaktierungen verbunden sind.

Im Gegensatz zu einseitigen Leiterplatten mit Metallkern erfordern doppelseitige MCPCBs während der Produktion einen zusätzlichen Laminierungsschritt, der die gemusterten wärmeleitenden Schichten fest mit dem Metallkernsubstrat verbindet.

Im Vergleich zu herkömmlichen FR-4-Leiterplatten stellen doppelseitige Leiterplatten mit Metallkern höhere Anforderungen an Präzision und Fertigungserfahrung. Beim Laminieren zweier Lagen Kupferfolie auf den Metallkern ist eine präzise Kontrolle von Temperatur, Druck und Isolationsleistung erforderlich. Nur so können eine gute elektrische Isolierung und ein stabiles Wärmeverhalten gewährleistet werden.

Anwendungen:

• Industrielle Steuereinheiten

• Stromrichter und Regler

• HLK-Systeme

• Armaturenbretter für Autos

• USV- und Kommunikationssysteme

Mehrschichtige MCPCB

Mehrschichtige MCPCB 

Eine mehrschichtige Leiterplatte mit Metallkern ist eine Art Hochleistungs-Leiterplatte mit Metallkern. Sie besteht aus mehreren Kupferleiterplatten und wärmeleitenden dielektrischen Materialien, die auf einer soliden Metallbasis übereinander gestapelt sind.

Diese Struktur ermöglicht der Leiterplatte die Realisierung interner Signalführung, Masseflächen und blinder oder vergrabener Vias bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit. Sie bietet zudem eine höhere Designflexibilität und gleichzeitig ein besseres Wärmemanagement.

Im Vergleich zu herkömmlichen FR-4-Leiterplatten sind die Herstellungsanforderungen für mehrschichtige MCPCBs höher. Beim Laminierungsprozess ist eine präzise Kontrolle von Temperatur, Druck und Isolationsleistung erforderlich, um sicherzustellen, dass jede Kupferschicht fest mit dem Metallkern verbunden werden kann.

Anwendungen:

• Server und Rechenzentren

• Luft- und Raumfahrt- und Satellitensysteme

• Medizinische Elektronik (EKG, Herzmonitore)

• Hochfrequenz-Kommunikationssysteme

• Wissenschaftliche Instrumente