Leitfaden für Aluminiumsubstrat-Leiterplatten: Thermisches Design und LED-Verwendung

Was ist ein Aluminium-Substrat?

Eine Aluminium-Substrat ist eine kupferkaschierte Leiterplatte mit Metallkern und guter Wärmeableitung. Eine typische einseitige Leiterplatte hat drei Schichten: eine Schaltungsschicht (Kupferfolie), eine dielektrische (isolierende) Schicht und eine Metallbasisschicht. Für High-End-Anwendungen gibt es auch doppelseitige Leiterplatten mit diesem Aufbau: Schaltungsschicht, dielektrische Schicht, Aluminiumbasis, dielektrische Schicht, Schaltungsschicht. In einigen wenigen Sonderfällen werden mehrlagige Leiterplatten verwendet, die durch Laminieren gewöhnlicher Mehrlagen-Leiterplatte mit dielektrischen Schichten und einer Aluminiumbasis.

Wie ein Aluminium-Substrat funktioniert

Die Leistungsteile sind auf der Schaltungsschicht montiert. Die von den Bauteilen erzeugte Wärme gelangt schnell durch die dielektrische Schicht in die Metallbasis. Der Metallsockel breitet sich dann aus und gibt die Wärme ab. Auf diese Weise werden die Teile gekühlt.

Aufbau eines Aluminium-Substrats

Eine aluminiumkaschierte Kupferplatte ist ein Metallleiterplattenmaterial, das aus einer Kupferfolie, einer wärmeleitenden dielektrischen Schicht und einem Metallträger besteht. Die typischen drei Schichten sind:

• Schaltungsebene (CIRCUIT LAYER): Wie die kupferkaschierte Schicht einer normalen Leiterplatte. Die Kupferdicke reicht von 1 oz bis 10 oz (etwa 35 µm bis 280 µm). Das Kupfer wird geätzt, um die gedruckte Schaltung zu bilden. Da die Leiterplatte oft höhere Ströme übertragen muss, wird dickeres Kupfer verwendet.
• Dielektrische Schicht (DIELECTRIC LAYER): Eine isolierende Schicht mit niedrigem Wärmewiderstand und Wärmeleitfähigkeit. Dies ist die Kerntechnologie. Es handelt sich in der Regel um ein spezielles Polymer, das mit Keramik gefüllt ist. Es hat einen geringen Wärmewiderstand, gute viskoelastische Eigenschaften und eine hohe Wärmealterungsbeständigkeit. Sie kann mechanischen und thermischen Belastungen standhalten. Mit dieser Schicht kann die Platte eine gute Wärmeleitung und eine hohe elektrische Isolierung kombinieren.
• Grundschicht (BASE LAYER): Der Metallsockel, in der Regel Aluminium oder manchmal Kupfer (Kupfer hat eine bessere Wärmeleitfähigkeit). Der Metallsockel trägt die Platine. Sie muss eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und zum Bohren, Stanzen und Schneiden geeignet sein.

Im Vergleich zu herkömmlichen Leiterplattenmaterialien haben Aluminiumsubstrate eindeutige Vorteile: Sie eignen sich für die SMT-Montage von Leistungsteilen ohne separaten Kühlkörper, sie schrumpfen die Produktgröße, bieten eine hervorragende Kühlung und behalten dennoch eine gute Isolierung und mechanische Festigkeit.

Leistungsmerkmale von Aluminiumsubstraten

• Unterstützung der Oberflächenmontagetechnik (SMT).
• Sehr effektive Wärmeverteilung bei der Schaltungsentwicklung.
• Niedrigere Betriebstemperatur, höhere Leistungsdichte und Zuverlässigkeit sowie längere Lebensdauer.
• Verkleinerung der Produktgröße und Reduzierung der Hardware- und Montagekosten.
• Zerbrechliches austauschen Keramiksubstrate mit besserer mechanischer Haltbarkeit.

Fertigungsmöglichkeiten (typische Prozessspezifikationen)

Artikel	Fähigkeit / Spezifikation
Arten von Brettern	Aluminiumsubstrat, Kupfersockel, Eisensockel
Oberflächengüte	Chemisch gebundenes Gold (ENIG), Sprühzinn, chemisches Zinn, chemisches Silber, OSP
Schichten	Einseitig, doppelseitig, vierlagig
Maximale Größe	1185 mm × 480 mm
Minimale Größe	5 mm × 5 mm
Min. Zeile/Leerzeichen	0,1 mm
Platinenverzug	≤ 0,5% (für Dicke 1,6 mm, Größe 300 mm × 300 mm)
Verarbeitete Dicke	0,3 - 5,0 mm
Dicke des Kupfers	35 µm - 240 µm
Toleranz bei der Formgebung	±0,15 mm
Genauigkeit der V-Schnitt-Ausrichtung	±0,1 mm
Produktionskapazität	7000 m² / Monat
Abweichung der Bohrlochposition	±0,076 mm
Beispiele für Formtoleranzen	CNC-gefräste Umrisse: ±0,1 mm; Stanz-/Stempelumrisse: ±0,15 mm

Prozessbegriffe und Erklärungen

• Seite ätzen: Ätzung, die an der Seitenwand unter dem Resistmuster auftritt. Die Seitenätzung wird anhand der Breite der seitlichen Ätzung gemessen. Sie hängt von der Art des Ätzmittels, der Zusammensetzung, dem Prozess und der Ausrüstung ab.
• Ätzfaktor: Das Verhältnis zwischen der Leiterdicke (ohne Beschichtung) und der Menge der seitlichen Ätzung. Ätzfaktor = V / X (V = Leiterdicke, X = Seitenätzung). Ein höherer Ätzfaktor bedeutet weniger Seitenätzung. Feine Leiterbahnen mit hoher Dichte benötigen einen hohen Ätzfaktor.
• Ausbau der Beschichtung (Verbreiterung der Beschichtung): Bei der Musterplattierung kann die Metallschicht dicker als der Fotolack sein, was die Leiterbahnbreite erhöht. Die Ausdehnung der Beschichtung hängt von der Lackdicke und der Gesamtdicke der Beschichtung ab und sollte minimiert werden.
• Überstand der Beschichtung (Beschichtungsüberstand): Die Summe aus Beschichtungsüberstand und Seitenätzung. Wenn es keine Ausdehnung der Beschichtung gibt, ist der Überstand der Beschichtung gleich dem Betrag der Seitenätzung.
• Ätzrate: Die Tiefe des vom Ätzmittel pro Zeiteinheit aufgelösten Metalls (in der Regel µm/min) oder die Zeit zum Abtragen einer bestimmten Dicke.
• Auflösungsvermögen von Kupfer: Die Menge an Kupfer, die ein Ätzmittel bei einer bestimmten Ätzrate auflösen kann. Sie wird gewöhnlich in g/L angegeben. Jedes Ätzmittel hat eine feste Kupferauflösungskapazität.

Verpackungen für Aluminiumsubstrate (LED-Verpackungen)

LED-Verpackungen bietet dem LED-Chip eine Plattform zur Verbesserung der optischen, elektrischen und thermischen Leistung. Eine gute Verpackung erhöht die LED-Effizienz und die Wärmeableitung, was die Lebensdauer verlängert. Das LED-Gehäusedesign basiert auf fünf Kernfaktoren: optische Extraktionseffizienz, Wärmewiderstand, Verlustleistung, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz (Lm/$).

Alle Faktoren spielen eine Rolle. Die optische Extraktion beeinflusst die Kosten pro Lumen. Der Wärmewiderstand wirkt sich auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer aus. Die Verlustleistung wirkt sich auf die Kundenanwendung aus. Eine gute Verpackung hält diese Faktoren im Gleichgewicht und erfüllt die Kundenanforderungen.

In der Regel werden ein- oder zweilagige Aluminiumsubstrate als Kühlkörper verwendet. Ein oder mehrere Chips werden direkt auf dem Aluminium- (oder Kupfer-) Substrat befestigt. Die p- und n-Elektroden des Chips sind mit einer dünnen Kupferschicht auf der Substratoberfläche drahtverbunden. Die Anzahl der Chips auf der Platine hängt von der benötigten Leistung ab; die Gehäuse können kombiniert werden, um Hochleistungs-LEDs mit 1 W, 2 W oder 3 W herzustellen. Schließlich wird je nach optischem Design ein Material mit hohem Brechungsindex auf die LEDs gegossen oder aufgetragen.

Aluminium-Basismetall-Sorten

Übliche Aluminiumserien, die für Substrate verwendet werden, sind die Serien 1000, 5000 und 6000:

• Serie 1000: Beispiele 1050, 1060, 1070. Diese sind fast reines Aluminium (≥ 99% Al). Sie sind leicht zu produzieren und kostengünstig. Weit verbreitet in der allgemeinen Industrie.
• Serie 5000: Beispiele 5052, 5005, 5083, 5A05. Es handelt sich um Aluminium-Magnesium-Legierungen (Mg ~3-5%). Sie haben eine geringe Dichte, eine hohe Zugfestigkeit und eine gute Dehnung. Das Gewicht ist bei gleicher Fläche geringer. Sie werden in der Luftfahrt (Kraftstofftanks) und in der allgemeinen Industrie verwendet.
• Serie 6000: Beispiel 6061. Diese Serie enthält Mg und Si und vereint die Vorteile der Serien 4000 und 5000. Sie ist wärmebehandelbar, hat eine gute Korrosionsbeständigkeit, gute Bearbeitungs- und Beschichtungseigenschaften und eine hohe Festigkeit. Verwendet in Flugzeugteilen, Kamerateilen, Kupplungen, Schiffsarmaturen, Hardware, elektronischen Teilen und Steckern.

LED-Aluminium-Substrat vs. PCB-Aluminium-Substrat

LED-Aluminiumsubstrate sind auf die LED-Industrie spezialisiert und werden als Kühlkörper verwendet. Sie bieten eine hohe Wärmeleitfähigkeit, einen niedrigen Wärmewiderstand, eine lange Lebensdauer und eine hohe Spannungsfestigkeit. LED-Aluminium-Substrate erweitern LED-Anwendungen wie Geräteanzeigeleuchten, Autoscheinwerfer, Straßenlaternen und große Außenschilder.

Die Wärmeleitfähigkeit von LED-Aluminiumplatinen hängt weitgehend vom mittleren Dielektrikum ab (oft ein wärmeleitendes Polymer oder ein Wärmekleber). Wärmeleitfähigkeit, Wärmewiderstand und Spannungsfestigkeit sind drei wichtige Qualitätsmerkmale. Nach der Laminierung wird die Wärmeleitfähigkeit mit Instrumenten gemessen. Keramische und kupferne Materialien haben eine höhere Wärmeleitfähigkeit, aber die meisten Märkte beschränken sich aus Kostengründen auf Aluminiumsubstrate. Höhere Werte für die Wärmeleitfähigkeit bedeuten in der Regel eine bessere Leistung.

Ein LED-Aluminiumsubstrat ist im Wesentlichen eine Leiterplatte, deren Trägermaterial eine Aluminiumlegierung anstelle von FR-4-Glas-Epoxid ist.

Preise für Aluminiumsubstrate

Mit der Verbesserung der Produktionstechnologie und -ausrüstung sind die Preise für Aluminiumsubstrate günstiger geworden. Die Lieferanten geben ihre Preise in der Regel nicht öffentlich bekannt. Wenden Sie sich an den Anbieter (z. B. Yifang Electronics), um ein konkretes Angebot zu erhalten.

Vorlaufzeit für Aluminiumsubstrate

(A) Planungshinweise bestellen

• Vorlaufzeit: Prototyping 3-5 Tage; Massenproduktion 5-7 Tage.
• Qualitätsanforderungen: Klärung von Kundendaten (Größe, Dicke, Verfahren, Rechnung, Versand, Sonderwünsche).
• Planung der Zusammenarbeit: Bestätigen Sie, ob es sich um Folgeaufträge oder eine langfristige Zusammenarbeit handeln wird.

(B) Wege zur Beschleunigung langsamer Vorlaufzeiten

• Halten Sie einen Vorrat an gängigen Aluminiumsubstraten bereit.
• Fügen Sie Tag- und Nachtschichten hinzu, um die Produktion zu beschleunigen.
• Verhandeln Sie mit Kunden über angepasste Liefertermine.

Aluminiumsubstrate mit hoher Wärmeleitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Schlüsselparameter für die Wärmeableitung und einer der drei wichtigsten Qualitätsmaßstäbe (die anderen sind Wärmewiderstand und Spannungsfestigkeit). Die Wärmeleitfähigkeit wird nach der Laminierung gemessen. Keramik und Kupfer haben eine höhere Leitfähigkeit, aber aus Kostengründen ist Aluminium das gängige Material. Die Wärmeleitfähigkeit ist ein zentraler Parameter; höhere Werte bedeuten in der Regel eine bessere Leistung.

Aluminiumsubstrate zeichnen sich durch gute thermische, elektrische Isolierung und mechanische Verarbeitungseigenschaften aus. Sie werden häufig in LED- und anderen elektronischen Designs verwendet. Bei der thermischen Entwicklung von LEDs werden häufig CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) und grundlegende thermische Berechnungen durchgeführt, die für die Substratproduktion wichtig sind.

Der Strömungswiderstand (hydraulischer Widerstand) ist auf die Viskosität der Flüssigkeit und auf feste Grenzen zurückzuführen. Er umfasst den Reibungswiderstand entlang des Fließwegs und den lokalen Widerstand bei abrupten Änderungen (plötzliche Flächenänderungen, Krümmer).

Typische Konstruktionsschritte für LED-Kühlkörper:

1. Entwerfen Sie das Kühlkörperprofil unter Berücksichtigung von Zwängen.
2. Optimieren Sie die Rippendicke, die Rippenform, den Rippenabstand und die Substratdicke gemäß den Designregeln für Kühlkörper.
3. Überprüfen Sie die Berechnungen, um sicherzustellen, dass die Kühlleistung den Vorgaben entspricht.

Thermischer Entwurf für Aluminiumsubstrate

(A) Warum eine thermische Auslegung notwendig ist

Hohe Temperaturen schaden der Elektronik: Die Isolierung verschlechtert sich, Bauteile fallen aus, Materialien altern, niedrig schmelzende Lötstellen reißen und Lötstellen fallen ab.

Auswirkungen der Temperatur auf die Komponenten:

• Höhere Temperatur senkt den Widerstandswert.
• Hohe Temperaturen verkürzen die Lebensdauer der Kondensatoren.
• Hohe Temperaturen beeinträchtigen die Isolierung von Transformatoren und Drosseln; zulässige Temperatur oft < 95 °C.
• Überhöhte Temperaturen verändern die intermetallischen Verbindungen (IMC) des Lots, wodurch die Verbindungen spröde und schwächer werden.
• Eine höhere Sperrschichttemperatur (Tj) erhöht die Transistorverstärkung, wodurch der Kollektorstrom ansteigt und Tj weiter erhöht wird, was zu einem Ausfall führen kann.

(B) Ziel der thermischen Auslegung

Halten Sie alle Komponenten unter ihrer maximalen Nenntemperatur in der erwarteten Arbeitsumgebung. Die maximal zulässigen Temperaturen ergeben sich aus der Belastungsanalyse und müssen den Produktzuverlässigkeitszielen und den zugewiesenen Ausfallraten für jede Komponente entsprechen.

(C) Lösungen für thermische Probleme

Die Wärme der LEDs ist ein großes Problem. Aluminiumsubstrate mit ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit können die Wärme effektiv ableiten. Das Design sollte die Leiterplatte nahe an der Aluminiumbasis halten und den Wärmewiderstand durch Verguss- oder Verkapselungsmaterialien reduzieren.

Reparatur und Wartung von Aluminium-PCBs

Typische Reparaturschritte für einen Leiterplattentechniker:

1. Störungsanalyse: Identifizieren und Eingrenzen des Fehlers auf der Karte.
2. Visuelle Kontrolle: Studieren Sie Eingänge/Ausgänge, Funktionen und Kontrollbereiche.
3. Prüfung von Schaltkreisen: Führen Sie erste Tests durch, um grobe Fehler auszuschließen und Reparaturen anzuleiten.
4. Prüfung von Bauteilen: Oft werden Teile ausgelötet und mit Geräten getestet; dies kann das äußere Erscheinungsbild der Platine beschädigen, so dass Techniker unnötige Entlötungen vermeiden.
5. Störungsbeseitigung: Spuren beseitigen, Teile austauschen oder Schaltkreise verändern.
6. Funktionsprüfung: Testen Sie die reparierte Karte und führen Sie Systemtests durch, nachdem Sie die elektrischen Prüfungen bestanden haben.

Abfallbehandlung für Aluminiumsubstrate

PCBs bestehen aus Glasfasern, Epoxid und vielen Metallverbindungen. Bei unsachgemäßer Entsorgung von gebrauchten Aluminiumplatten können bromierte Flammschutzmittel und andere krebserregende Stoffe freigesetzt werden, was zu einer erheblichen Umweltverschmutzung und Gesundheitsgefährdung führt. Gleichzeitig haben Altplatten einen hohen wirtschaftlichen Wert: Der Metallgehalt kann ein Vielfaches des natürlichen Erzes betragen. Der Metallgehalt kann 10-60% betragen, hauptsächlich Kupfer, aber auch Gold, Silber, Nickel, Zinn, Blei und seltene Metalle. Der Metallgehalt von natürlichem Erz beträgt nur etwa 3-5%.

Studien zeigen, dass eine Tonne Computerteile etwa 0,9 kg Gold, 270 kg Kunststoff, 128,7 kg Kupfer, 1 kg Eisen, 58,5 kg Blei, 39,6 kg Zinn, 36 kg Nickel, 19,8 kg Antimon sowie Palladium und Platin enthalten kann. Die PCB-Abfälle werden daher als “zu erschließende Minen” bezeichnet.”

Untersuchungen haben ergeben, dass die meisten PCB-Abfälle und Rahmenschrotte in abgelegene Gebiete verbracht werden, wo sie verbrannt oder mit Wasser gewaschen werden, was zu einer erheblichen Sekundärverschmutzung führt:

• Bei der Verbrennung entstehen starke Gerüche und giftige bromhaltige Verbindungen. Dies ist von den Umweltbehörden verboten, wird aber in abgelegenen Gebieten immer noch praktiziert.
• Das Waschen mit Wasser ist billig, einfach und weit verbreitet. Es fällt eine große Menge an Rückständen an (nicht metallisch, ~80% des Kartongewichts). Diese Rückstände sind schwer zu entsorgen, und viele Unternehmen deponieren sie als allgemeinen Abfall.

Anwendungen und Eigenschaften von Aluminiumsubstraten

(A) Anwendungsmerkmale

• Ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit.
• Einseitiges Kupfer bedeutet, dass die Komponenten nur auf der Kupferseite platziert werden können.
• Es können keine Verdrahtungslöcher wie bei einseitigen Platinen für Jumper geöffnet werden.
• Gewöhnlich für oberflächenmontierte Geräte verwendet; Gleichrichter- oder Leistungsgeräte leiten die Wärme über die Basis ab, was zu einem geringen Wärmewiderstand und hoher Zuverlässigkeit führt.
• Transformatoren können flache SMD-Bauformen verwenden und die Wärme über den Sockel ableiten, was einen geringeren Temperaturanstieg und eine höhere Leistung bei gleicher Größe ermöglicht.

(B) Hinweise zum Handlöten

Da Aluminiumsubstrate Wärme gut leiten, kann das Löten von Hand in kleinem Maßstab das Lot zu schnell abkühlen und Probleme verursachen. Praktische Tipps:

1. Verwenden Sie ein Haushaltsbügeleisen mit einstellbarer Temperatur. Drehen Sie es so, dass die flache Seite nach oben zeigt, und befestigen Sie es.
2. Stellen Sie die Temperatur auf ca. 150 °C ein und erwärmen Sie die Aluminiumplatte kurzzeitig.
3. Dann platzieren und löten Sie die Teile wie gewohnt. Verwenden Sie eine Temperatur, die das Löten erleichtert - eine zu hohe Temperatur kann die Teile beschädigen oder das Kupfer delaminieren, eine zu niedrige Temperatur führt zu schlechten Lötstellen. Passen Sie sie nach Bedarf an.