Warum und wie man ein Aluminium-PCB-Substrat für Ihr nächstes Stackup-Design verwendet

Aluminium kann für mehr als nur für Getränkedosen verwendet werden

Ich trinke nicht mehr so viel Limonade, jetzt wo ich in meinen Dreißigern bin, aber ich weiß, dass Aluminium viele Verwendungsmöglichkeiten außerhalb der Herstellung von Coladosen hat. Eine Verwendung findet sich im Kern Ihrer Leiterplatte als Material für das thermische Management. Aluminium besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit und kann verwendet werden, um Wärme von aktiven Komponenten auf einer Leiterplatte wegzutragen, wenn andere passive oder aktive Kühlmaßnahmen die Temperaturen der Komponenten nicht auf ein ausreichend niedriges Niveau bringen können.

Verwendung einer Aluminium-Leiterplatte für das thermische Management

Aktive Komponenten verbrauchen eine signifikante Menge an Leistung, daher der Einsatz eines Kühlventilators auf einer CPU oder anderen Komponenten mit einer großen Anzahl von Schalttransistoren. Wenn die Umgebungstemperatur übermäßig hoch ist, werden aktive Kühlmaßnahmen nur nützlich sein, um die Temperatur der Platine wieder nahe an das Umgebungsniveau zu bringen. Zusätzlich kann man mit aktiver Kühlung nur eine bestimmte Menge an Wärme abführen. Hier müssen einige zusätzliche Strategien verwendet werden, um Wärme von Ihren aktiven Komponenten abzuleiten.

Aluminium ist ein alternatives Material, das im Kern einer Leiterplatte verwendet werden kann und oft fälschlicherweise als „Aluminium-Leiterplatte“ bezeichnet wird. Die Verwendung von Aluminium als Metallkern in einer Leiterplatte ermöglicht es, Wärme von aktiven Komponenten dank seiner hohen Wärmeleitfähigkeit leicht abzuleiten. Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Aluminium oder einem anderen Metall im Kern einer Leiterplatte ermöglicht eine gleichmäßigere Verteilung der Wärme über die gesamte Platine.

Im Gegensatz dazu steht FR4, das im Vergleich zu einer Reihe anderer alternativer Materialien für Leiterplattensubstrate ein relativ schlechter Wärmeleiter ist. Heiße Stellen auf einer Leiterplatte können sich in der Nähe aktiver Komponenten bilden, daher wird die Verwendung von aktiven und passiven Kühlmaßnahmen benötigt, um die Wärme abzuleiten und die Temperatur auf ein sicheres Niveau zu bringen. Die von aktiven Komponenten erzeugte Wärme kann auch von der Komponentenschicht in eine innere Masse- oder Stromversorgungsebene über thermische Vias und Pads transportiert werden.

Bei Platinen mit einem FR4-Kern ist die Menge an Wärme, die die Masse-/Stromversorgungsebenen um die Platine transportieren können, begrenzt, da die Kerne eine niedrige Wärmeleitfähigkeit haben. Thermische Vias und Pads können bei der Wärmeableitung helfen, aber oft müssen andere Strategien verwendet werden, um die Betriebstemperatur der Komponenten auf ein sicheres Niveau zu senken.

Ein Aluminium-Leiterplatten-Stackup

Obwohl eine Aluminium-Leiterplatte aus produktionstechnischer Sicht eine ungewöhnliche Wahl zu sein scheint, ähnelt der Stapelaufbau, der mit einer Aluminium-Leiterplatte verwendet werden kann, den Stapelaufbauten, die mit FR4-Substraten verwendet werden können. Ein Beispielstapelaufbau ist im Bild unten dargestellt:

Beispiel eines Schichtstapels mit einer Aluminium-Leiterplatte

Ein Aluminium-Leiterplattenstapelaufbau sollte unter Berücksichtigung der folgenden Aspekte entworfen werden:

• Oberflächenschicht: Dies ist eine Standard-Kupferfolienschicht. Einige Hersteller empfehlen die Verwendung von schwererem Kupfer (bis zu 10 oz) als es bei FR4 verwendet würde.

• Dielektrische Schicht: Die innere dielektrische Schicht kann jede thermisch leitfähige Schicht sein, die als Prepreg fungiert. Dies kann eine Polymer- oder keramische Schicht sein. Die Wahl eines Materials mit höherer thermischer Leitfähigkeit, insbesondere einer Keramik mit hohem Verhältnis von thermischer zu elektrischer Leitfähigkeit, wird das thermische Management unterstützen und gleichzeitig ausreichende Isolierung bieten. Die typische Dicke der dielektrischen Schicht beträgt 0,05 bis 0,2 mm.

• Aluminium-Membranschicht: Die Aluminium-Membranschicht spielt eine schützende Rolle, indem sie den Aluminiumkern vor unerwünschtem Ätzen schützt. Dies ist eine sehr dünne isolierende Schicht, die eine wichtige Rolle für alle Vias spielt, die durch den Kern gebohrt werden (siehe unten).

• Aluminiumkern: Die innere Schicht ist der Aluminiumkern mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Die meisten Aluminiumplatinen sind 0,5 mm dick, obwohl dickere Platinen verwendet werden können, um eine größere strukturelle Stabilität zu bieten.

Beachten Sie, dass Vias durch den Aluminiumkern gebohrt werden können, obwohl die Aluminiummembranschicht das Innere des Vialochs abdecken muss, um eine isolierende Schicht zwischen der Kupferviawand und dem Kern zu bilden. Wenn Sie sich für einen dickeren Aluminiumkern entscheiden, werden Ihre Materialkosten und Ihre Fertigungskosten steigen.

Einige Anwendungen von Aluminium-PCBs

Da die in einem Aluminium-PCB verwendeten Laminate Wärme schneller ableiten als FR4, können sie in einer Vielzahl von Systemen verwendet werden, die erhebliche Wärme erzeugen. Ein ausgezeichnetes Beispiel ist in LED-Beleuchtungsarrays. SMD-LEDs, die mit hoher Leistung betrieben werden, erzeugen eine erhebliche Menge an Wärme. Die durch den Aluminiumkern abgeleitete Wärme leitet die Wärme schnell von den LEDs weg, was deren Lebensdauer verlängert.

Beleuchtungsarray mit SMD-LEDs

Dünne Aluminiumkern-Leiterplatten können sogar als flexible Leiterplatten hergestellt werden. Sowohl statische als auch dynamische flexible Leiterplatten können aus Aluminium-Leiterplatten gefertigt werden. Da Keramik viel weniger duktil als Aluminium ist, sollte sie nicht in flexiblen Aluminium-Leiterplatten verwendet werden. Daher sollten Polymerlaminate als dielektrische Schicht in diesen Platinen verwendet werden.

Aluminium-Leiterplatten bieten über die Wärmeableitung hinaus weitere Vorteile. Die bereits erwähnte Steifigkeit und höhere Festigkeit gegen Biegen und Stoß. Zusätzlich bietet der Metallkern eine bessere EMI-Abschirmung, sodass eine Aluminium-Leiterplatte auch in einer elektrisch lärmenden Umgebung nützlich ist. Metallkerne sind auch umweltfreundlicher als FR4 oder andere Materialien, da Aluminium recycelbar ist.

Wenn Sie sich entscheiden, eine Aluminium-Leiterplatte für Ihr nächstes Gerät zu verwenden, benötigen Sie Entwurfswerkzeuge, die eine umfangreiche Bibliothek von Schichtmaterialien und einen intuitiven Stackup-Manager enthalten. Altium Designer enthält all diese Funktionen und viele mehr und bietet die branchenführenden Entwurfs- und Analysewerkzeuge in einem einzigen Programm. Diese wichtigen Entwurfsfunktionen interagieren auch mit den nativen 3D-Entwurfswerkzeugen in Altium Designer.

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