Metallkärnkretskort (MCPCB) från PCBasic
I takt med att elektroniska produkter blir allt kraftfullare, mindre och mer högpresterande har värmeavledningsproblemet blivit ett viktigt problem som måste lösas vid kretskortsdesign. Traditionella kretskortsmaterial (som FR-4 och polyimid) har dålig värmeledningsförmåga och är svåra att avleda värme i tid i högeffektskretsar, vilket lätt kan leda till överdriven uppvärmning av komponenter eller till och med skador.
För att lösa detta problem fokuserade PCBasky på att designa och tillverka kretskort med metallkärna (MCPCB), även kända som metallkärn-PCB, metallklädda kretskort eller termiska kretskort. Denna typ av kretskort har ett metallkärnlager i sin design, vilket kan leda bort värme snabbare, vilket gör kretsens funktion mer stabil och tillförlitlig. Det är mycket lämpligt för användning i olika högpresterande elektroniska produkter.
Vad är MCPCB?
MCPCB, även kända som isolerade metallsubstrat-PCB (IMS) eller termiskt klädda PCB, är en typ av kretskort med metallkärna som är speciellt utformade för att lösa uppvärmningsproblemet hos elektroniska produkter.
Till skillnad från traditionella FR-4-kretskort, som använder harts eller glasfiber som basmaterial, innehåller ett metallkärnigt kretskort ett metallbaslager i sin struktur, vanligtvis tillverkat av aluminium-, koppar- eller stållegeringar. Detta metalllager kan snabbt leda ut värmen som genereras av komponenterna och överföra den till kylflänsen eller metallkärnlagret, vilket gör att kretsen fungerar mer stabilt och mindre benägen att överhettas.
Bland dessa metallmaterial är aluminium det vanligaste på grund av dess goda värmeledningsförmåga, höga mekaniska hållfasthet och låga kostnad. Det är för närvarande det vanligaste valet för tillverkning av MCPCB.
MCPCB:er består av ett ledande lager, ett värmeisoleringslager och ett metallsubstratlager.
Ett standardkretskort med metallkärna består av:
• Lödmaskskikt
• Kretslager
• Kopparlager (1–6 ml koppar, vanligast 1–2 ml)
• Dielektriskt isoleringsskikt
• Metallkärnlager (aluminium, koppar eller stål) — fungerar som kylfläns
• Valfri skyddande beläggning eller finish
Fördelar med MCPCB
Jämfört med traditionella kretskort har metallkärniga kretskort följande uppenbara fördelar:
1. Överlägsen värmeavledning
På grund av användningen av metallmaterial är värmeledningsförmågan hos kretskort med metallkärna (särskilt aluminium- och kopparsubstrat) extremt utmärkt. De kan snabbt avleda värmen som genereras av högeffekts-LED, effektmoduler, bilelektronik etc., vilket avsevärt förbättrar värmeavledningseffektiviteten och gör kretsen mer stabil.
2. Minskat behov av externa kylflänsar
MCPCB-korten kan leda värme mycket bra på egen hand, så i många fall finns det inget behov av att lägga till ytterligare kylflänsar eller kylfläktar. På så sätt blir utrustningen mindre i storlek, lättare i vikt och har en enklare design.
3. Hög mekanisk styrka
Metallkärnlagret (särskilt aluminiummaterialet) gör kretskortet styvare, kan motstå påfrestningar orsakade av böjning, vibrationer och termisk expansion och sammandragning, och mer hållbart både i produktion och användning.
4. Lätt och miljövänlig
Jämfört med keramiska eller glasfiberkort är kretskort med metallkärna inte bara lättare och mer hållbara, utan även återvinningsbara och återanvändbara. Särskilt aluminium, som är giftfritt, miljövänligt och återvinningsbart, är mycket lämpligt för hållbar tillverkning.
5. Dimensionell stabilitet
Inom temperaturområdet 30 °C till 150 °C bibehåller kretskort med metallkärna stabila dimensioner och prestanda, vilket säkerställer utrustningens långsiktiga tillförlitliga drift.
Typer av MCPCB
Beroende på konfigurationen av de ledande och metalliska lagren kan MCPCB-er kategoriseras i fem huvudtyper:
1. Enkelskiktad MCPCB
2. COB MCPCB (Chip-on-Board)
3. Dubbla lager MCPCB
4. Dubbelsidig MCPCB
5. Flerskiktad MCPCB
Enkelskiktad MCPCB
Enkelskiktad MCPCB
Ett kretskort med en enda metallkärna består av tre delar: kopparskiktet, det dielektriska isoleringsskiktet och den metalliska basen (vanligtvis används aluminium). Denna struktur är enkel och praktisk, kostnadseffektiv och har tillförlitlig prestanda, och är mycket lämplig för massproduktion.
Program:
• LED-belysning och lampor med hög ljusstyrka
• Reläer för fordon och industri
• Ljudutrustning och förstärkare
• Sensorer och förpackningsmaskiner
Enkelskiktade MCPCB-kretsar tillverkade av PCBasic används ofta i LED-belysning. Med sin enastående värmeavledningsförmåga kan de effektivt sänka temperaturen, vilket säkerställer lampornas ljusstyrka och livslängd.
COB MCPCB
Ett COB MCPCB (Chip-on-Board Metal Core PCB) är en speciell typ av kretskort med metallkärna. Dess mest framträdande egenskap är att de bara chipsen är direkt installerade på metallkärnkortet, vilket eliminerar behovet av det dielektriska barriärskiktet i den traditionella strukturen.
Denna design gör att chipet kan komma i direkt kontakt med metallkärnans kretskort, vilket resulterar i snabbare och effektivare värmeöverföring. Värmeledningsförmågan kan överstiga 200 W/m·K, vilket nästan motsvarar den hos själva metallbasmaterialet.
Grundstrukturen för COB-metallkärnans kretskort inkluderar:
• Direkt chipbonding på metallkärnigt kretskort
• Trådbindning för signalsammankoppling
• Epoxihartsinkapsling för flisskydd
Chipet är ordentligt inbäddat i MCPCB-kortet genom trådbindning och epoxiinkapsling. Denna design kan förbättra ljusuniformiteten och samtidigt förlänga livslängden för högpresterande lysdioder.
De flesta COB MCPCB-kort använder aluminium som kärnmaterial på grund av dess goda värmeledningsförmåga, höga hållfasthet och låga kostnad, vilket blir förstahandsvalet för de flesta tillverkare av kretskort med metallkärna. Vissa avancerade produkter använder även spegelblanka aluminiumkretskort med silver-/guldplätering för att förbättra reflektionsförmågan och värmeavledningsförmågan.
Program:
• LED-gatubelysning och strålkastare
• LED-bakgrundsbelysning och displaymoduler
• Strömförsörjning och omvandlare
• Strålkastare och signalsystem för bilar
• Jordbruks- och trädgårdsodlingslampor
• Industriella och arkitektoniska belysningssystem
Dubbelskiktad MCPCB
Dubbelskiktad MCPCB
Ett dubbelskiktat MCPCB är en typ av kretskort med metallkärna och en mer komplex struktur än ett enkelskiktat. Det har två kopparkretslager, som båda är laminerade på metallbasen på samma sida. De vanligaste materialen är aluminium eller koppar. Metallkärnan är placerad längst ner på kretskortet, vilket kan ge både bra mekaniskt stöd och bidra till snabb värmeavledning.
Till skillnad från dubbelsidiga kretskort med metallkärna, där de två kopparlagren är fördelade på båda sidor av metallkärnan, är alla elektroniska komponenter i en dubbelskiktad MCPCB installerade på samma sida, vilket gör strukturen mer kompakt.
Jämfört med kretskort med metallkärna i ett lager är produktionen av kretskort med dubbla lager mer komplex. Under tillverkningen krävs ett ytterligare lamineringssteg för att fästa det värmeledande lagret ordentligt vid metallsubstratet. Detta steg har höga krav på processnoggrannhet och måste säkerställa att lagren är både isolerade och kan leda elektricitet tillförlitligt.
Tillämpningar av dubbelskiktad MCPCB
• Kraftväxelriktare och likriktare
• Ljudförförstärkare och förstärkare
• Effektregleringsenheter och regulatorer
• Industriell automationsutrustning
• Motordrivare och kommunikationsmoduler
Som en professionell MCPCB-tillverkare använder PCBasic avancerad lamineringsteknik för att säkerställa att det värmeledande lagret i varje dubbelskikts-MCPCB-kort är nära kombinerat med metallsubstratet och inte är benäget för delaminering.
Dubbelsidig MCPCB
I likhet med kretskort med dubbelskiktad metallkärna har även kretskort med dubbelsidig metallkärna två lager kopparledare. Men metallkärnan är belägen mellan dessa två lager. Med andra ord finns det kretsspår på både den övre och nedre ytan av metallkärnlagret, vilka är anslutna via pläterade vias.
Till skillnad från enkelsidiga kretskort med metallkärna kräver dubbelsidiga MCPCB-kretsar ett ytterligare lamineringssteg under produktionen, vilket ordentligt binder de mönstrade värmeledande lagren till metallkärnans substrat.
Jämfört med vanliga FR-4-kretskort har dubbelsidiga metallkärnkretskort högre krav på precision och tillverkningserfarenhet. Vid laminering av två lager kopparfolie mot metallkärnan är det nödvändigt att noggrant kontrollera temperatur, tryck och isoleringsprestanda. Endast på detta sätt kan god elektrisk isolering och stabil termisk prestanda säkerställas.
Program:
• Industriella styrenheter
• Effektomvandlare och regulatorer
• VVS-system
• Instrumentpaneler för fordon
• UPS och kommunikationssystem
Flerskiktad MCPCB
Flerskiktad MCPCB
Ett flerskiktat metallkärnigt kretskort är ett slags högpresterande metallkärnigt kretskort. Det består av flera kopparkretslager och värmeledande dielektriska material staplade tillsammans på en solid metallbas.
Denna struktur gör det möjligt för kretskortet att uppnå intern signalvägledning, jordplan och blinda eller nedgrävda vias-konstruktioner samtidigt som hög värmeledningsförmåga bibehålls. Det har också högre designflexibilitet och bättre prestanda för värmehantering samtidigt.
Jämfört med traditionella FR-4-kretskort är tillverkningskraven för flerskiktade MCPCB:er högre. I lamineringsprocessen är det nödvändigt att noggrant kontrollera temperatur, tryck och isoleringsprestanda för att säkerställa att varje kopparlager kan fästas ordentligt vid metallkärnan.
Program:
• Servrar och datacenter
• Flyg- och satellitsystem
• Medicinsk elektronik (EKG, hjärtmonitorer)
• Högfrekventa kommunikationssystem
• Vetenskaplig instrumentering
