Aluminium-Leiterplatte: Thermisches Design und Materialien

Eine Aluminium-Leiterplatte ist eine Leiterplatte, die Kupferleiterbahnen, ein elektrisch isolierendes thermisches Dielektrikum und eine Aluminiumbasis kombiniert. Das Dielektrikum leitet Wärme zum Metall und trennt gleichzeitig den Schaltkreis elektrisch. Diese Konstruktion eignet sich für LED-Beleuchtung und Leistungselektronik, wenn die Leiterplatte, die Montagefläche und die Kühlfläche einen geeigneten Wärmeleitpfad bilden.

Bei der Auswahl der Leiterplatte muss dieser vollständige Pfad geprüft werden. Eine höhere Wärmeleitfähigkeit des Dielektrikums kann hilfreich sein, ihre Wirkung hängt jedoch von der Dicke, der Wärmeübertragungsfläche und dem Wärmewiderstand an anderer Stelle in der Baugruppe ab.

Wichtige Erkenntnisse

• Eine Standard-Leiterplatte mit Aluminiumbasis verwendet ein Dielektrikum, um Wärme zu übertragen und gleichzeitig das Kupfer elektrisch von der Metallbasis zu isolieren.
• Vergleichen Sie die Dicke und den Wärmewiderstand des Dielektrikums zusammen mit der Wärmeleitfähigkeit. Ein einzelner Wärmeleitfähigkeitswert kann die Bauteiltemperatur nicht vorhersagen.
• Im nachfolgenden Beispiel senkt die Verbesserung des Kühlkörpers die berechnete Sperrschichttemperatur stärker als eine Verdopplung der Wärmeleitfähigkeit des Dielektrikums.
• Legen Sie elektrische Isolation, Lochkonstruktion und Montagefläche fest, bevor Sie die Fertigungsdaten freigeben.

Was ist eine Aluminium-Leiterplatte?

Eine Leiterplatte mit Aluminiumkern gehört zur übergeordneten Familie der Metallkern-Leiterplatten, auch als isolierte Metallsubstrate (IMS) bezeichnet. Bei dieser Konstruktion dient Aluminium als Trägermetall; das geätzte Kupfer führt den Schaltkreis. Die Schreibweise Aluminium-Leiterplatte bezeichnet dieselbe Leiterplattenfamilie.

Die gängige einseitige Ausführung platziert Bauteile und Kupferleiterbahnen über einem isolierenden Dielektrikum, das mit der Metallbasis verbunden ist. Informationen von TCLAD zu isolierten Metallsubstraten beschreiben diese Kombination aus Schaltkreis, Dielektrikum und Metallbasis.

Eine Aluminium-LED-Leiterplatte kann die thermischen LED-Pads über diesen Lagenaufbau mit einer größeren Kühlfläche verbinden. Leistungswandler können dasselbe Prinzip nutzen, sofern ihre Anforderungen an Leiterbahnführung und Isolation mit der Konstruktion vereinbar sind. Eine Metallrückseite macht die Prüfung von Bauteiltemperaturen, elektrischen Abständen oder Kühlbedingungen nicht überflüssig.

Lagenaufbau: Kupfer, Dielektrikum und Aluminiumbasis

Aufgabe der einzelnen Schichten

Jede Schicht erfüllt eine andere Aufgabe. Kupfer stellt elektrische Verbindungen her und verteilt Wärme lokal. Das Dielektrikum sorgt für die elektrische Trennung und leitet gleichzeitig Wärme durch seine Dicke. Die Aluminiumbasis trägt die Leiterplatte und verteilt Wärme zur Montagefläche.

Lage	Hauptfunktion	Auswahlfrage
Kupferschaltkreis	Führt Strom und verteilt Wärme lokal	Erfüllt die Kupfergeometrie die elektrischen und thermischen Anforderungen?
Thermisches Dielektrikum	Isoliert den Schaltkreis von der Basis und überträgt Wärme	Sind Dicke, Wärmewiderstand und Isolation gemeinsam geeignet?
Aluminiumbasis	Bietet mechanische Unterstützung und Wärmeverteilung	Passt die Basis zur mechanischen Schnittstelle und zur Kühlschnittstelle?

Einseitige und komplexere Konstruktionen

Eine zweite Schaltungsebene oder ein hybrider Aufbau verändert, wie elektrische Verbindungen durch die leitfähige Basis oder um sie herum geführt werden. Isolierte Verbindungen erfordern eine definierte Konstruktion. Bestätigen Sie diese Konstruktion, bevor Sie eine mehrlagige Aluminium-Leiterplatte wie eine FR4-Leiterplatte mit Metallrückseite behandeln.

Konstruktionen mit direktem Wärmeleitpfad sind eine separate Option: Ausgewählte Bauteilpads können eine andere Verbindung zum Metall haben. Sie erfordern eine Prüfung des Pad-Potenzials und der Isolation. Standardannahmen für dielektrisch unterstützte Konstruktionen können nicht einfach auf sie übertragen werden.

Die Wärmeleitfähigkeit ist nur ein Teil des Wärmeleitpfads

Die relevante thermische Frage ist, wie stark die Bauteiltemperatur bei der erwarteten Wärmelast ansteigt. Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt ein Material. Der Wärmewiderstand beschreibt eine bestimmte Geometrie oder Baugruppe und wird in K/W angegeben, was für eine Temperaturdifferenz °C/W entspricht.

Berechnen Sie den Wärmewiderstand des Dielektrikums anhand von Dicke und Fläche

Für die stationäre, eindimensionale Wärmeleitung durch eine gleichmäßige Schicht lautet die von MIT erläuterte Beziehung für den Wärmewiderstand :

Rθ = t / (k × A)

Dabei gilt: t ist die Dicke in Metern, k ist die Wärmeleitfähigkeit in W/(m·K), und A ist die angenommene effektive Wärmeübertragungsfläche in Quadratmetern. Die effektive Fläche entspricht nicht automatisch der gesamten Leiterplattenfläche.

Betrachten Sie ein hypothetisches Dielektrikum mit:

• Dicke: 100 µm = 0.0001 m.
• Wärmeleitfähigkeit: 1.5 W/(m·K).
• Effektive Fläche: 100 mm² = 0.0001 m².

Der ideale Wärmewiderstand durch die Materialdicke beträgt 0.667 K/W. Eine Verdopplung der Wärmeleitfähigkeit auf 3.0 W/(m·K) bei unveränderter Dicke und Fläche ergibt 0.333 K/W. Eine Verdopplung sowohl der Dicke als auch der Wärmeleitfähigkeit ergibt den ursprünglichen 0.667 K/W.

Dies sind Lehrbeispiele und keine lagernden Materialien oder elektrisch austauschbaren Optionen. Die Widerstandswerte von Lieferanten können außerdem auf die Fläche normiert sein. Die Dielektrikum-Materialtabelle von TCLAD führt HT mit 2.2 W/(m·K) auf, mit einem Widerstand von 0.05 °C·in²/W bei 75 µm und 0.077 °C·in²/W bei 100 µm. Diese Einheiten sind nicht K/W für eine fertige Leiterplatte. In der Tabelle wird weder die Messmethode angegeben noch festgestellt, dass die Widerstandswerte der idealen Plattenberechnung folgen. Fordern Sie das aktuelle Datenblatt der jeweiligen Güteklasse an und vergleichen Sie gleiche Prüfbedingungen.

Erstellen Sie eine Bilanz vom Sperrschicht- zur Umgebungstemperatur

Nehmen Sie an, dass ein dominanter Reihenschaltungspfad 5 W Verlustwärme an Luft mit 40°Cabführt. Die folgenden Widerstände sind für dieses Beispiel angenommene effektive Werte und nicht gemessene oder aus Datenblättern abgeleitete Werte.

Teil des angenommenen Wärmepfads	Wärmewiderstand
Sperrschicht zum thermischen Anschluss des Bauteils	1.000 K/W
Lötstelle und lokale Kupfer-Wärmeverteilung	0.400 K/W
Dielektrikum, oben berechnet	0.667 K/W
Beitrag der Aluminiumbasis und Schnittstelle zum Kühlkörper	0.300 K/W
Kühlkörper zur Umgebung	4.000 K/W
Gesamt	6.367 K/W

Für dieses vereinfachte Netzwerk gilt: Tj = Ta + Pheat × Rtotal. Die berechnete Sperrschichttemperatur beträgt 40 + 5 × 6.367 ≈ 71.8°C.

Vergleichen Sie zwei Designänderungen

Ändern Sie jeweils nur einen Eingabewert und halten Sie die anderen konstant:

Szenario	Gesamtwiderstand	Berechnete Sperrschichttemperatur	Reduzierung gegenüber dem Ausgangswert
Ausgangswert	6.367 K/W	71.8°C	Referenz
Doppelte Wärmeleitfähigkeit des Dielektrikums	6.033 K/W	70.2°C	1.7°C
Wärmeleitwiderstand vom Kühlkörper zur Umgebung von 4 auf 2 K/W reduzieren	4.367 K/W	61.8°C	10.0°C

Der Kühlkörper dominiert dieses angenommene Budget, daher hat seine Verbesserung den größeren Effekt. Eine andere Baugruppe kann zu einem anderen Ergebnis führen. Die Werte werden mit nicht gerundeten Eingabewerten berechnet und gerundet angezeigt.

Dieses Modell legt keine akzeptable Betriebstemperatur fest. Die tatsächliche Wärmeverteilung, parallele Wärmewege, der Luftstrom und temperaturabhängige Eigenschaften müssen analysiert oder gemessen werden. Verwenden Sie den Wärmeverlust, statt automatisch die gesamte elektrische LED-Eingangsleistung als Wärme zu behandeln.

Texas Instruments & # 8217; Thermische Kennwerte von Halbleiter- und IC-Gehäusen (überarbeitet im März 2024) erklärt, warum thermische Kennwerte aus Datenblättern von ihren Prüfbedingungen und Wärmewegen abhängen. Behandeln Sie θJA oder ein beliebiges θJC nicht als gehäuseeigenen Widerstand, der zu einem Leiterplatten-/Kühlkörpernetzwerk addiert werden kann. Der Term vom Übergang zur Anschlussfläche im Beispiel wird ausdrücklich angenommen. Verwenden Sie ein Modell, das zur tatsächlichen wärmeableitenden Oberfläche passt, ohne Wärmewege doppelt zu zählen.

Bestätigen Sie das vollständige Design anhand der Bauteilnennwerte und realistischer Messungen am Prototyp; der Leitfaden zu thermischen Hotspots auf Leiterplatten behandelt diesen Validierungsschritt.

Aluminium-Leiterplatte vs. FR4, Optionen mit Kupferbasis und Keramik

Wählen Sie das Substrat unter gemeinsamer Berücksichtigung von Leiterbahnführung, elektrischer Isolation, Kühlung und mechanischen Einschränkungen. Eine höhere Wärmeleitfähigkeit des Materials führt nicht automatisch zu einer kühleren fertigen Baugruppe.

Option	In Betracht ziehen, wenn	Vor der Auswahl prüfen
Aluminium-IMS mit Rückseitenkontakt	Wärmequellen einen kurzen dielektrischen Weg zu einer Montagefläche nutzen können	Dielektrischer Widerstand, Isolation, Freiheit bei der Leiterbahnführung und Kontakt zum Kühlkörper
FR4	Eine hohe Leiterbahndichte oder eine herkömmliche Mehrlagenkonstruktion wichtig ist	Ob Kupferverteilung, thermische Vias und die Kühleinheit die Temperaturgrenzwerte einhalten
Konstruktion mit Kupferbasis	Die Anwendung möglicherweise von einem anderen metallischen Wärmeverteilungsweg profitiert	Zusätzliches Gewicht, Konstruktion, elektrische Isolation und Fertigungskosten
Keramiksubstrat	Materialspezifische thermische, elektrische oder betriebliche Anforderungen eine Bewertung rechtfertigen	Keramikqualität, Metallisierung, Befestigungsprozess und mechanische Belastungen

Dicker Kupfer beschreibt eine Schaltung mit großer Kupferdicke; das bedeutet nicht zwangsläufig, dass die Leiterplatte eine Kupferbasis besitzt. Ebenso kann eine Aluminiumleiterplatte Signale führen, doch ihr Schichtaufbau muss weiterhin die Anforderungen an Leiterbahnführung und Elektrik erfüllen. Eine Metallrückseite ist kein Ersatz für eine geeignete Referenzstruktur in einem impedanzsensiblen Design.

Die PCB-Materialauswahlleitfaden vergleicht die weiter gefassten Substratoptionen. Bei der Entscheidung zwischen Aluminium-Leiterplatte und FR4 sollten Sie zunächst prüfen, ob beide innerhalb des verfügbaren Gehäuses dieselben Anforderungen an Temperatur, Isolation und Leiterbahnführung erfüllen können. Vergleichen Sie vollständige Lösungen statt bloßer Materialbezeichnungen.

Designprüfungen: Isolation, Bohrungen und Montage

Planen Sie elektrische Isolation und mechanischen Kontakt gemeinsam. Eine leitfähige Basis, eine Schraube oder eine freiliegende Kante kann eine Verbindung herstellen, die im Schaltplan nicht vorgesehen war.

Elektrische Verbindungen vom Kontakt mit dem Metallkern trennen

Unterscheiden Sie elektrische, beschichtete Bohrungen und Vias von mechanischen Montagebohrungen in der Fertigungszeichnung. Eine elektrische Verbindung, die durch eine Metallbasis geführt wird, benötigt die vorgesehene Isolationskonstruktion. Eine Montagebohrung kann die Basis absichtlich mit dem Chassis verbinden oder isolierende Befestigungsteile erfordern; geben Sie an, was zutrifft.

Die Aluminium-Fertigungsservice führt isolierte beschichtete Bohrungen und die Durchsteckmontage auf, wobei Materialien und Schichtaufbau einer technischen Prüfung unterliegen. Bestätigen Sie, wie Anschlussdurchführungen, Pads und die Basis dort getrennt bleiben, wo dies erforderlich ist. Bitten Sie den Fertiger, die Isolationsgeometrie und das Prüfverfahren anzugeben, statt davon auszugehen, dass eine Standard-FR4-Bohrdatei das Merkmal vollständig beschreibt.

Schnittstelle zwischen Leiterplatte und Kühlkörper festlegen

Definieren Sie die Kontaktfläche, die Oberflächenebenheit, das thermische Schnittstellenmaterial (TIM), die Dicke und die Befestigungsmethode. Stimmen Sie das Anzugsdrehmoment der Befestigungselemente mit den Lieferanten von Baugruppe und Hardware ab. Anpressdruck, Spalte und das Schnittstellenmaterial beeinflussen den tatsächlichen Wärmepfad.

Bitten Sie den Designprüfer zu bestätigen, wie die erforderliche Isolation an Schrauben, Unterlegscheiben, Aussparungen und Leiterplattenkanten erhalten bleibt. Wenn das Produkt eine Sicherheitsisolationsbarriere benötigt, dokumentieren Sie die geltenden Anforderungen und vereinbaren Sie das Isolationssystem sowie die Nachweise zur Abnahme.

Elektrische und fertigungstechnische Einschränkungen bestätigen

Geben Sie Betriebsspannung, erforderliche Isolationsfunktion, Kriechstrecke, Luftstrecke und Abnahmetests an. Fordern Sie sowohl die freigegebene Spezifikation der Betriebsspannung als auch Ergebnisse von Durchbruch- oder Spannungsfestigkeitsprüfungen an; leiten Sie die Betriebsspezifikation nicht aus einer Prüfnummer ab. Vereinbaren Sie die korrekten Grenzwerte für Anwendung, Konstruktion und geltende Produktanforderungen.

Fertigungsleitfaden von TCLAD behandelt den Abstand von Leiterbahnen zu Bohrungen und die HiPot-Prüfung als getrennte Themen. Die numerischen Fertigungsangaben sind lieferantenspezifisch. Holen Sie die freigegebene Geometrie und die Prüfkriterien des ausgewählten Fertigers für den tatsächlichen Aufbau ein.

Dokumentieren Sie Umriss-, Bohrungs- und Kupfer-zu-Kanten-Anforderungen zur Prüfung durch den Lieferanten. Verwenden Sie den PCB-DFM-Checkliste für das umfassendere Freigabepaket und ergänzen Sie anschließend die oben genannten Details zur Metallbasis. Vermeiden Sie universelle Regeln für Abstände oder Prüfspannungen, die vom vorgesehenen Produkt losgelöst sind.

Fertigung, Montage und Kostentreiber

Die Fertigung unbestückter Leiterplatten und die Montage bestückter Leiterplatten erfordern separate Prozessentscheidungen. Die Fertigung legt den Laminataufbau, das Kupfermuster, die Bohrungen, den Umriss, den Lötstopplack und die Oberfläche fest. Die Montage umfasst Lot, Bauteile, das thermische Profil und die Prüfung.

Validieren Sie das Reflowprofil für die tatsächliche Leiterplatte und den tatsächlichen Bauteilsatz. Montagehinweise von Analog Devices für uSLIC-Gehäuse empfehlen Thermoelemente an den tatsächlichen Lötstellen und erklären, dass sich die Lötstellentemperaturen von den Ofeneinstellungen unterscheiden. Diese Hinweise sind gehäusespezifisch und kein Rezept für Aluminium-Leiterplatten. Wenden Sie das Messprinzip an und befolgen Sie gleichzeitig die Prozessgrenzen der ausgewählten Bauteile und Lötpaste.

Die Kosten hängen von Dielektrikumsqualität und -dicke, Kupfer, Umriss, isolierten Bohrungen, Panelnutzung, Stückzahlen, Oberfläche, Prüfung und Umfang der Montage ab. Veröffentliche Mindest- und Höchstwerte belegen nicht, dass jede Kombination verfügbar ist.

Check Leistungsmerkmale für LEDs und Aluminium-Leiterplatten als Ausgangspunkt und fordern Sie anschließend eine Bestätigung für den ausgewählten Aluminiumaufbau an. Diese kombinierte Übersichtsseite behandelt auch FR4-Produkte; ihr gesamtes Sortiment darf nicht als eine einzige Aluminium-Lagenaufbauspezifikation verstanden werden.

Thermisches Design in eine Fertigungsübergabe überführen

Übernehmen Sie die Annahmen hinter der thermischen Berechnung in den Freigabedatensatz. Die effektive Fläche, der verwendete Gehäusebegriff und der thermische Übergangswiderstand des Rechenbeispiels benötigen noch Belege, bevor sie ein reales Produkt beschreiben können.

Datensatztyp	In die Übergabe aufnehmen	Status in diesem Beispiel
Betriebsanforderungen	Verlustleistung, Umgebungstemperaturbereich, zulässige Sperrschichttemperatur und Betriebsarten	5 W und 40 °C angenommen; zulässige Temperatur nicht festgelegt
Materialanforderung	Tatsächlicher Dielektrikumstyp, Dicke/Toleranz, thermische Prüfmethode, Kupfer- und Basiskonstruktion	Nur allgemeine Dielektrikumsdaten
Abgeleitete Schätzung	Berechnung, angenommene Fläche, Grenzen des Netzwerks und Einschränkungen	0,667 K/W Dielektrikum; 71,8 °C Ausgangswert
Mechanische Schnittstelle	Zeichnung von Kühlkörper/Kontakt, TIM, Befestigungsmethode und vereinbartes Anzugsdrehmoment	Schnittstellen- und Kühlkörperwerte angenommen
Elektrische Abnahme	Betriebsspannung, Isolationsanforderungen und vereinbarte Prüfmethode/-kriterien	Anwendungsspezifische Definition erforderlich
Fertigungsunterlagen	Schaltungsdateien, Bohrdaten, Fertigungszeichnung, Außenkontur, Lochdetails, Stückzahl und Oberfläche	Muss für das tatsächliche Design bereitgestellt werden

Stellen Sie Gerber- oder akzeptierte ODB++-Daten mit den relevanten Bohr- und Fertigungsinformationen bereit. Für die Bestückung werden außerdem Stückliste und Platzierungsdaten benötigt. Sorgen Sie für einheitliche Revisionskennungen in allen Dateien.

Vereinbaren Sie vor der Freigabe, welche thermischen Eingangsgrößen aus Lieferantendaten, Simulation oder Prototypmessungen stammen. Bestätigen Sie, dass elektrische Isolation, Bearbeitungsgrenzen und ausgewählte Materialien im selben Aufbau kompatibel sind. Eine aus angenommenen Widerständen berechnete Temperatur genehmigt keinen Fertigungs-Lagenaufbau.

Häufig gestellte Fragen

Benötigt eine Aluminiumplatine einen Kühlkörper?

Sie kann einen separaten Kühlkörper, eine Verbindung zum Gehäuse oder eine andere Kühlfläche benötigen. Die Aluminiumbasis verteilt die Wärme, doch die vollständige Baugruppe muss sie weiterhin an die Umgebung übertragen. Ermitteln Sie den Kühlbedarf anhand der Verlustleistung, der Umgebungsbedingungen und der zulässigen Bauteiltemperatur und überprüfen Sie anschließend die Baugruppe unter realistischen Betriebsbedingungen.

Können auf einer Platine mit Aluminiumkern Durchsteckbauteile verwendet werden?

Ja, sofern ihr Aufbau die erforderlichen Bohrungen und die elektrische Isolation unterstützt. Die leitfähige Basis macht die Gestaltung der Bohrungen besonders wichtig. Legen Sie fest, welche Hülsen und Pads elektrische Anschlüsse sind, ob die Basis mit dem Gehäuse verbunden ist und wo eine Isolation erforderlich ist. Bestätigen Sie diese Details vor der Freigabe mit dem Fertiger.

Ist ein Dielektrikum mit 3 W/m·K immer besser als eine Variante mit 1,5 W/m·K?

Nein. Bei gleicher Dicke und Fläche verringert eine höhere Wärmeleitfähigkeit den idealen Wärmewiderstand durch die Dicke. Ein dickeres Dielektrikum kann diesen Vorteil ausgleichen, und ein anderer Abschnitt des Kühlpfads kann maßgeblich sein. Vergleichen Sie die erforderliche elektrische Isolation, die tatsächlichen thermischen Daten und die Montagebedingungen gemeinsam, anstatt allein anhand der Wärmeleitfähigkeit auszuwählen.

Ist die Aluminiumbasis elektrisch von der Schaltung isoliert?

Bei einem Standardaufbau mit rückseitigem Dielektrikum soll das Dielektrikum die Kupferschaltung von der Basis trennen. Die Isolation hängt dennoch vom ausgewählten Material, der Geometrie, den Bohrungen und der Montage ab. Varianten mit direktem Wärmepfad können sich unterscheiden. Definieren Sie daher die vorgesehenen elektrischen Verbindungen und bestätigen Sie die erforderlichen Prüfungen für den tatsächlichen Aufbau.

Bereiten Sie Ihre Aluminiumplatine für die Prüfung vor

Reichen Sie die Schaltungsdateien, die Fertigungszeichnung, die Wärmelast, die Betriebsbedingungen und die Montageanforderungen mit Ihrer Fertigungsanfrage für Aluminiumplatinenein. Bei der Prüfung sollte ein kompatibler Aufbau bestätigt und ermittelt werden, welche thermischen Annahmen vor der Produktion noch validiert werden müssen.