Der Aufbau der Metallkern-Leiterplatte
Eine typische Metallkern-Leiterplatte besteht aus drei Schichten
- Leiterschicht (Kupferfolie): Aufnahme von elektronischen Bauteilen und Leiterbahnen; in der Regel Kupfer mit hoher Leitfähigkeit.
- Isolationsschicht (wärmeleitendes Dielektrikum): Verwendung hochwärmeleitender Isolationsmaterialien (z. B. keramikgefülltes Epoxidharz), die elektrische Isolierung und zugleich effiziente Wärmeleitfähigkeit gewährleisten.
- Metallsubstrat (Wärmeableitung)
Gängige Materialien:
- Aluminium (am häufigsten): kostengünstig und leicht, geeignet für LED- und Stromversorgungsmodule.
- Kupfer: exzellente Wärmeleitfähigkeit (ca. 400 W/mK), verwendet in Hochleistungsgeräten (z. B. Automobilelektronik).
- Kupfer-Aluminium-Verbundmaterial: optimaler Kompromiss zwischen Kosten und Leistung.
| Unterschiede zwischen Metallkern-Leiterplatte und herkömmlicher FR4-Leiterplatte | ||
| Eigenschaften | Metallkern-Leiterplatte | FR4-Leiterplatte |
| Wärmeleitfähigkeit | Hervorragend (Aluminium ≈ 200 W/mK, Kupfer ≈ 400 W/mK) | Gering (0,3–0,4 W/mK) |
| Wärmeableitungsfähigkeit | Direkte Wärmeableitung über das Metallsubstrat | Abhängig von Kühlkörpern oder Lüftern |
| Geeignete Leistung | Hohe Leistung, z. B. LED, Stromversorgungsmodule | Niedrige Leistung, z. B. elektronische Geräte |
| Mechanische Festigkeit | Hoch (schlagfest, hitzebeständig) | Mittel (anfällig für Wärmeverformung) |
| Kosten | Höher | Niedrig |
Kernvorteile der Metallkern-Leiterplatte
- Effiziente Wärmeableitung: verhindert Überhitzung elektronischer Komponenten und verlängert die Lebensdauer (z. B. wird der LED-Lichtabfall um mehr als 50 % reduziert).
- Hohe Stromtragfähigkeit: unterstützt Hochstromdesigns, z. B. Ladestationen für Elektrofahrzeuge.
- Stabile Struktur: Metallkern ist vibrations- und hochtemperaturbeständig (-50 °C bis 150 °C).
- Leichtgewicht (Aluminiumbasis): deutlich leichter als Kupfer- oder Keramik-Kühllösungen.
Hauptanwendungen der Metall-Leiterplatte
- LED-Beleuchtung: Hochleistungs-LED-Scheinwerfer für Fahrzeuge, Straßenlaternen
- Stromversorgungsmodule: Gleich-/Wechselrichter, Wechselrichter
- Automobilelektronik: Motorsteuerung, Batteriemanagementsystem (BMS)
- Industrieanlagen: Hochleistungs-Frequenzumrichter, Servoantriebe
- Medizintechnik: Laser-Medizingeräte, Bildgebungsgeräte
Herstellungsherausforderungen bei Metallkern-Leiterplatten
- Isolationsschicht-Prozess: muss hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe Spannungsfestigkeit gewährleisten, in der Regel ≥ 2 kV
- Metallsubstrat-Fertigung: Bohren und Fräsen von Aluminium und Kupfer erfordern Spezialwerkzeuge und müssen gratfrei erfolgen.
Kostenkontrolle: Metallmaterial und spezielle Verfahren beeinflussen die Leiterplattenkosten, insbesondere bei Kleinserien.
