Metallkern-Leiterplatte
(MCPCB / Aluminium)
Metallkernplatten auf Aluminium- und Kupferbasis, die dafür ausgelegt sind, Wärme von der Verbindungsstelle abzuleiten – dort, wo der thermische Widerstand von Standard-FR4 zum begrenzenden Faktor in Ihrem Design wird.
Ein wärmeverteilendes Substrat – nicht nur eine Leiterplatte
Bei einer Leiterplatte mit Metallkern wird der übliche FR4-Kern durch eine massive Aluminium- oder Kupfergrundplatte ersetzt, die über eine wärmeleitende dielektrische Schicht mit der Kupferschicht verbunden ist. Die an den Bauteileanschlüssen entstehende Wärme wird vertikal durch diese dielektrische Schicht in die Metallgrundplatte geleitet, wo sie sich seitlich zu einem Kühlkörper oder Gehäuse ausbreitet.
Die dielektrische Schicht ist die entscheidende technische Variable. Standard-FR4 weist eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,3 W/m·K auf; die Werte für MCPCB-Dielektrika reichen von 1,0 W/m·K für kostensensible Designs bis zu 3,0 W/m·K für Standardanwendungen mit Hochleistungs-LEDs und bis zu 8,0 W/m·K für keramikgefüllte Dielektrika, die in den thermisch anspruchsvollsten Leistungsmodulen zum Einsatz kommen.
Auch die Wahl des Grundmetalls spielt eine Rolle. Die Aluminiumlegierungen 5052 und 6061 dominieren aufgrund ihrer Kosten und Bearbeitbarkeit den Einsatz in LED- und allgemeinen Leistungsanwendungen; Kupfer als Grundmetall wird dort vorgeschrieben, wo eine maximale Wärmeableitung oder eine höhere mechanische Festigkeit erforderlich ist, was jedoch mit einem Aufschlag bei der thermischen Leistung und den Kosten verbunden ist.
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Drei Auslegungsentscheidungen, die die thermische Leistung von MCPCBs bestimmen
Der im Datenblatt angegebene Wert für die Wärmeleitfähigkeit ist nur ein Ausgangspunkt – erst die gesamte Bauweise bestimmt, wie viel Wärme tatsächlich zum Kühlkörper gelangt.
Die Dicke der dielektrischen Schicht ist ein Kompromiss zwischen Isolierung und Wärmeleitweg
Die dielektrische Schicht befindet sich zwischen der Kupferschaltung und dem Metallträger und sorgt für elektrische Isolation, während sie die Wärme vertikal ableitet. Eine dünnere dielektrische Schicht (75 µm) verringert den Wärmewiderstand, schränkt jedoch die Durchbruchspannung ein; eine dickere dielektrische Schicht (150 µm) erhöht die Durchbruchspannungsreserve, erhöht aber auch den Wärmewiderstand. Wir legen die Dicke der dielektrischen Schicht entsprechend Ihrer gewünschten Durchbruchspannung und Ihrer angestrebten Sperrschichttemperatur fest – es gibt keinen einheitlichen Standardwert.
75–150 µm Dielektrikum · 1,0–8,0 W/m·K · IPC-2S1B-KonstruktionenAuswahl von unedlen Metallen: Aluminium vs. Kupfer
Die Aluminiumlegierungen 5052-H32 und 6061-T6 bieten eine gute Wärmeableitung, sind kostengünstig und lassen sich für Standard-LED- und Netzteilplatinen problemlos per CNC fräsen. Kupfer verfügt bei gleicher Dicke über eine etwa doppelt so hohe Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium und wird für Hochleistungsmodule empfohlen, bei denen die seitliche Wärmeableitung zum Rand der Platine den Engpass darstellt und nicht nur die vertikale Wärmeleitung durch das Dielektrikum.
Al 5052/6061 · auf Kupferbasis · Dicke 0,8–3,2 mm · WärmeleitungDie Nenn-Durchschlagspannung legt die Sicherheitsmarge fest
Gemäß den Standardprüfverfahren des IPC liegt die Durchbruchspannung der dielektrischen Schicht je nach Dicke und Füllstoffzusammensetzung typischerweise zwischen 3 kV und 4,5 kV. Bei LED-Treibern und Netzteilen, die über aus dem Netz gespeiste Spannungsschienen betrieben werden, muss die Durchschlagspannung im Hinblick auf die Anforderungen an Kriechstrecken und Luftstrecken überprüft werden – eine Leiterplatte, die allein hinsichtlich des dielektrischen Materials die UL 796-Zulassung erfüllt, entspricht nicht automatisch den Sicherheitsanforderungen auf der Ebene der fertigen Leiterplatte.
UL 796-zertifiziert · Durchschlagspannung 3–4,5 kV · Prüfung der dielektrischen FestigkeitSpezifikation für die Herstellung von Leiterplatten mit Vollmetallkern
Alle dielektrischen und thermischen Daten wurden anhand der Datenblätter der Lieferanten überprüft und durch eine dielektrische Festigkeitsprüfung bei jeder Produktionscharge bestätigt.
Parameter für die Herstellung
| Unedles Metall | Aluminium 5052 / 6061 · Kupfer |
| Grunddicke | 0,8 mm – 3,2 mm |
| Dicke des Dielektrikums | 75 µm – 150 µm |
| Kupfer Gewicht | 1 oz – 10 oz |
| Bauwesen | Einlagig · Zweilagig · Mehrlagig MCPCB |
Leistung und Standards
| Dielektrische Wärmeleitfähigkeit | 1,0 – 3,0 W/m·K Standard · bis zu 8,0 W/m·K erweitert |
| Durchbruchspannung | 3 kV – 4,5 kV |
| Oberfläche | HASL-bleifrei · ENIG · OSP · Weiße/schwarze Lötmaske |
| Auszeichnung für Sicherheit | Als dielektrisches Material gemäß UL 796 anerkannt |
| Prototyp-Umlaufzeit | 72-Stunden-Express · 6 Tage Standard |
Wie Metallkern-Leiterplatten hergestellt werden
Ein für die Haftung entscheidender Prozess – die Grenzfläche zwischen Dielektrikum und Metall bestimmt die thermische und mechanische Zuverlässigkeit über die gesamte Lebensdauer der Leiterplatte.
Vorbereitung der Grundplatte und Bildgebung der Schaltkreise
Die Grundplatte aus Aluminium oder Kupfer wird oberflächenbehandelt, und die Kupferfolie wird mit dem wärmeleitenden Dielektrikum laminiert und anschließend fotolithografisch mit dem Schaltungsmuster belichtet.
Ätzen und dielektrische Verbindung
Kupfer wird bis zur endgültigen Schaltung geätzt und unter kontrollierter Wärme und Druck durch die dielektrische Schicht auf den Metallträger heißgepresst, um Hohlräume an der thermischen Schnittstelle zu beseitigen.
CNC-Fräsen und -Bohren
Das mechanische Konturfräsen und Bohren erfolgt mit Hartmetallwerkzeugen, die auf die Härte des Metallträgers abgestimmt sind, wodurch eine Delaminierung an der Kante des Dielektrikums vermieden wird.
Lötmasken-, Oberflächen- und Dielektrikumprüfung
Es werden Lötmaske, Oberflächenveredelung und Beschriftung aufgebracht; anschließend wird vor dem Versand eine Prüfung der dielektrischen Spannungsfestigkeit gemäß 100% durchgeführt, um die Nenn-Durchbruchspannung zu bestätigen.
Wann eine Leiterplatte mit Metallkern die richtige Wahl ist
Jede Konstruktion, bei der der Ausfallgrund thermischer und nicht elektrischer Natur ist, kommt für eine Metallkernbauweise in Frage.
LED-Straßen- und Außenbeleuchtung
Einschichtige MCPCB-Platine auf Aluminiumbasis für Hochleistungs-LED-Leuchten, die im Außenbereich bei dauerhaft hohen Umgebungstemperaturen betrieben werden.
Kfz-Beleuchtung
Scheinwerfer- und Tagfahrlichtmodule mit LEDs mit hoher CCT, die über den gesamten Kfz-Betriebsbereich hinweg eine stabile Sperrschichttemperatur erfordern.
Stromversorgungen und Wandler
MCPCB für Schaltregler- und AC/DC-Wandlerplatinen, bei denen Leistungs-MOSFETs einen direkten Wärmepfad zum Gehäuse benötigen.
Motorantriebe
MCPCB auf Kupferbasis für Motortreiberstufen zur Ableitung von Dauer-Schaltverlusten in kompakten Gehäusen.
Audio-Verstärker der Klasse D
Aluminium-Grundplatten für MOSFETs in der Endstufe von Klasse-D-Verstärkermodulen, bei denen ein geringer Wärmewiderstand erforderlich ist.
Wärmeempfindliche Automobilelektronik
Elektronikmodule unter der Motorhaube und in der Nähe des Motors, bei denen die Sicherheitsreserve der Bauteile von der effektiven Wärmeableitung abhängt.
Industrielle Leistungsmodule
Mehrschichtige MCPCB-Platinen für IGBT- und Leistungsmodulträger in industriellen Antrieben und Wechselrichtern für erneuerbare Energien.
Solar- und UV-Härtungsanlagen
LED-Arrays mit hoher Dichte für die UV-Härtung und die Gartenbaubeleuchtung, die eine gleichmäßige Wärmeverteilung über die gesamte Platte erfordern.
MCPCB-Qualität – von der Auswahl des Dielektrikums bis zur Prüfung der Durchbruchspannung.
Die Qualität einer Leiterplatte mit Metallkern beginnt mit der Qualifizierung des Dielektrikums. Bei unserer DFM-Prüfung werden die Berechnungen der Wärmeleitwege mit Ihren Verlustleistungswerten abgeglichen. Nach der Fertigung wird bei jedem Einzelteil mittels des 100%-Dielektrikum-Durchschlagfestigkeitstests die Durchbruchspannung überprüft.
- ISO 9001 : 2015Von Dritten geprüftes Qualitätsmanagement
- IPC-6012Qualifizierung und Leistung von starren PCB
- IPC-A-600 Klasse 2 / 3Akzeptanzkriterien
- UL 796Sicherheitsbewertung dielektrischer Werkstoffe
- RoHS / REACHEinhaltung der EU-Vorschriften für gefährliche Stoffe
Inspektions- und Prüfverfahren
- 100% Elektrischer Test - Fliegender Tastkopf / HalterungOffen / Kurzschluss auf allen Netzen
- 100% – Prüfung der dielektrischen SpannungsfestigkeitBestätigt die Durchschlagfestigkeit von 3 kV bis 4,5 kV pro Charge
- Überprüfung des thermischen WiderstandsGemessen anhand des in den technischen Daten des Dielektrikums angegebenen W/m·K-Werts
- 100% AOI – LeiterbahnschichtAutomatisierte optische Inspektion
- Schälfestigkeit – Kupfer zu DielektrikumHaftfestigkeit gemäß IPC-TM-650 2.4.8
- Haftfestigkeit und Schichtdicke der LötmaskeGitter- und Dickenmessungstest
- Temperaturwechselprüfungen-40 °C bis +125 °C auf Anfrage
- Maßprüfung / CNC-KonturprüfungMessung nach der Bearbeitung anhand der Zeichnung
Von uns hergestellte Metallkernplatten
Echte Herausforderungen im Bereich des Wärmemanagements – gelöst.
Thermische Neugestaltung einer 200-W-LED-Straßenleuchte
Nach Berichten aus der Praxis über einen vorzeitigen Lichtstromrückgang der LEDs in Regionen mit hohen Umgebungstemperaturen wurde von einer dielektrischen Aluminiumplatte mit einem Wärmeleitkoeffizienten von 1,0 W/m·K auf eine Konstruktion mit einem Wärmeleitkoeffizienten von 3,0 W/m·K umgestellt.
Die Sperrschichttemperatur wurde bei Nennbetriebsstrom um 18 °C gesenkt. Die prognostizierte Lebensdauer bei 95 % Lumenwartung (L70) wurde von 35.000 h auf 60.000 h verbessert.
500-W-AC/DC-Wandler mit MCPCB auf Kupferbasis
Eine zweilagige MCPCB-Platine auf Kupferbasis, die eine auf einem Kühlkörper montierte FR4-Tochterkarte ersetzt und den Wärmepfad direkt in die Leistungsstufenplatine integriert.
Durch den Verzicht auf eine separate Kühlkörperbaugruppe konnte das Gehäusevolumen um 22% reduziert werden, während die Gehäusetemperatur des MOSFETs unter Volllast innerhalb der Leistungsreduzierungsspezifikation gehalten wurde.
MCPCB-Modul aus Aluminium für Tagfahrlicht im Automobilbereich
1,2 mm dicke einlagige Leiterplatte mit Aluminiumbasis für Tagfahrlichtmodule, zugelassen für den Umgebungsbereich im Automobilbereich von -40 °C bis +105 °C.
Hat die Thermoschockprüfung mit 500 Zyklen bestanden, ohne dass es an der Grenzfläche zwischen Dielektrikum und Kupfer zu einer Delaminierung kam. Seit 2 Jahren in Produktion.
Häufig gestellte Fragen zu Leiterplatten mit Metallkern
Technische Fragen zum thermischen Design, zu den Materialien und zur Herstellung von MCPCBs.
Für allgemeine LED-Beleuchtung und Anwendungen mit mäßiger Leistungsaufnahme ist ein Dielektrikum mit 1,0–2,0 W/m·K in der Regel ausreichend und kostengünstig. Für Hochleistungs-LEDs (Straßenbeleuchtung, Hochregallager), Stromrichter und Motorantriebe gilt 3,0 W/m·K als gängiger Standard. Für die thermisch anspruchsvollsten Leistungsmodul- und LED-Array-Designs mit hoher Dichte stehen keramikgefüllte Dielektrika mit Werten bis zu 8,0 W/m·K zur Verfügung. Wir empfehlen eine thermische Überprüfung Ihrer Verlustleistung und der angestrebten Sperrschichttemperatur, bevor Sie die Auswahl des Dielektrikums endgültig festlegen.
Aluminium 5052 oder 6061 ist die Standardwahl für die meisten LED- und allgemeinen Leistungsanwendungen – gute Wärmeableitung, geringere Kosten und einfachere CNC-Bearbeitung. Eine Kupferbasis bietet bei gleicher Dicke etwa die doppelte Wärmeleitfähigkeit von Aluminium und ist den höheren Preis wert, wenn die seitliche Wärmeverteilung über die gesamte Platine (und nicht nur die vertikale Wärmeleitung durch das Dielektrikum) der begrenzende Faktor ist, wie beispielsweise bei Hochleistungsmodulen mit konzentrierten Wärmequellen.
Ja. Einlagige MCPCBs (eine Schaltungslage auf der Metallbasis) sind die gängigste und kostengünstigste Bauweise und werden für die meisten LED-Anwendungen verwendet. Bei zweilagigen und mehrlagigen MCPCB-Konstruktionen werden zusätzliche Schaltungslagen über der Basis angeordnet, die durch plattierte Durchkontaktierungen oder Vias verbunden sind. Sie kommen zum Einsatz, wenn das Design eine höhere Verdrahtungsdichte erfordert, als eine einzelne Lage bieten kann, beispielsweise bei Treiber-Schaltungen, die auf derselben Platine wie das LED-Array integriert sind.
Die dielektrische Durchschlagspannung von Standard-MCPCBs liegt je nach Dicke und Füllstoffzusammensetzung zwischen 3 kV und 4,5 kV. Bei Leiterplatten, die mit Netzspannung betrieben werden, sollte die Durchschlagspannung zusammen mit den Kriech- und Luftabständen überprüft werden, die gemäß der Sicherheitsnorm für Ihr Endprodukt (z. B. IEC 62368-1) vorgeschrieben sind. Wir empfehlen Ihnen, Ihrem Entwicklungsteam im Rahmen der DFM-Prüfung Ihre angestrebten Sicherheitszertifizierungsziele mitzuteilen, damit die Dielektrikumsdicke und die Nennspannung korrekt aufeinander abgestimmt werden können.
Wir unterstützen Kupferdicken von 1 oz bis zu 10 oz auf MCPCB-Leiterplattenebenen. Dickeres Kupfer (4 oz und mehr) ist in MCPCB-Designs für Stromversorgungen und Motorantriebe üblich, um die Strombelastbarkeit der Leiterbahnen entlang des Wärmepfads durch das Dielektrikum zu erhöhen. Größere Kupferdicken erfordern aufgrund des Ätzfaktors breitere Mindestabstände zwischen Leiterbahnen und Freiräumen – dies wird im Rahmen der DFM-Prüfung überprüft.
Ja. Die MCPCB-Baureihe 100% wird vor dem Versand auf die dielektrische Durchschlagspannung geprüft, um sicherzustellen, dass die Platine die angegebene Durchschlagspannung (3 kV–4,5 kV, je nach Bauart) erfüllt. Die Testergebnisse sind zusammen mit dem Konformitätszertifikat für die dielektrische Schicht im Qualitätsdokumentationspaket enthalten, das jeder Bestellung beiliegt.
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Senden Sie uns Ihre Gerber-Dateien, die Angaben zur Verlustleistung und die angestrebte Sperrschichttemperatur. Unsere Ingenieure prüfen innerhalb von 8 Stunden die Auswahl des Dielektrikums, das Basismetall und die Durchbruchspannung.
- DFM- und thermische Prüfung bei jeder Anfrage inklusive
- NDA auf Anfrage unterzeichnet - gängige Praxis
- Antwort innerhalb von 8 Arbeitsstunden
- 72-Stunden-Express-Prototyp verfügbar
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