Wie Aluminium-Leiterplatten die Wärmeleitfähigkeit verbessern

Das Wärmemanagement ist zu einem der wichtigsten Themen im Elektronikdesign geworden, da moderne elektronische Geräte immer kleiner und leistungsfähiger werden. Leiterplatten (PCBs) verfügen über eine Vielzahl von Kernen und Materialien. In der Vergangenheit haben wir bereits eine breite Palette von Materialien behandelt. Heute liegt der Schwerpunkt jedoch auf Metallkern-Leiterplatten. Eine schlechte Wärmeableitung bei herkömmlichen Leiterplatten führt dazu, dass elektronische Geräte schlechter funktionieren, eine kürzere Lebensdauer haben oder im schlimmsten Fall katastrophal ausfallen.

Im Vergleich zu herkömmlichen FR-4-Leiterplatten verfügen Aluminium-PCBs über eine bessere Wärmeleitfähigkeit und stellen somit eine effiziente Alternative dar. Die unterschiedlichen Eigenschaften werden im Folgenden in diesem Artikel aufgeführt. Darüber hinaus werden wir den Aufbau, die Vorteile und die Anwendungen von Aluminium-PCBs untersuchen sowie erläutern, wie sie die Wärmeleitfähigkeit verbessern.

Was ist eine Aluminium-PCB?

Eine Aluminium-Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) ist eine metallbasierte Leiterplatte. Sie wurde entwickelt, um die von der Leistungselektronik auf einer Leiterplatte erzeugte Wärme zu kontrollieren. Dabei ersetzt Aluminium das herkömmliche Glasfaser-Substrat (FR-4) als Basismaterial. Der grundlegende Aufbau einer Aluminium-PCB besteht aus:

1. Kupfer-Leiterbahnschicht: Die Hauptfunktion dieser Schicht besteht darin, allen Komponenten auf der Leiterplatte eine elektrische Verbindung bereitzustellen. Im Vergleich zu standardmäßigen CCLs (ein bis zehn Unzen) ist die verwendete Kupferschicht relativ dicker. Bei der Preisgestaltung einer Leiterplatte besteht die Möglichkeit, das Kupfergewicht auszuwählen. Eine dickere Kupferschicht ist mit einer höheren Stromtragfähigkeit verbunden.

2. Dielektrische Schicht (Isolationsschicht): Die dielektrische Schicht ist die Isolationsschicht und hat eine Dicke von etwa 50 bis 200 μm. Da sie sowohl als elektrische Isolationsschicht als auch zur Wärmeleitung dient, sollte sie einen geringen Wärmewiderstand und einen hohen Widerstand gegenüber elektrischen Signalen aufweisen.

3. Metall-Basisschicht (Aluminum): Die Aluminiumbasis besteht aus einem Aluminiumsubstrat. Sie verleiht der Leiterplatte mechanische Stabilität. Der Hauptzweck besteht jedoch darin, Wärme durch ihre Funktion als thermischer Leiter abzuleiten.

4. Aluminium-Basismembranschicht: Diese Art von Membran ist optional. Sie dient einem schützenden Zweck, indem sie unerwünschtes Ätzen und Kratzer auf der Metalloberfläche verhindert.

Warum Wärmeleitfähigkeit in der Elektronik wichtig ist

Während des Betriebs elektronischer Bauteile wie Leistungswandler, LEDs und Fahrzeugelektronik entsteht Wärme. Wenn diese Wärme nicht schnell an die Umgebung abgeführt wird, erwärmen sich die umliegenden Komponenten. Eine übermäßige Wärmeansammlung kann die Lebensdauer der Bauteile verkürzen und zu Ermüdung von Lötstellen führen. Eine Überhitzung der Komponenten kann dazu führen, dass sie verbrennen und die Leiterplatte sowie die gesamte Schaltung beschädigen oder entzünden.

Wärmeleitfähigkeit bei Aluminium-PCBs

1. Überlegene Wärmeleitfähigkeit von Aluminium

Dies lässt sich anhand eines direkten Vergleichs der beiden Substrate erkennen. FR-4 besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 0,3 bis 0,4 W/mK. Aluminium hingegen weist eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 205 W/mK auf. Laut Vergleich haben herkömmliche FR-4-Leiterplatten einen thermischen Widerstand von 5,50 × 10⁻⁴ °C/W, was fast 30 % höher ist als bei Aluminium-PCBs. Dadurch wird ihre Wärmeableitungseffizienz erheblich reduziert.

2. Rolle der dielektrischen Schicht

Obwohl Aluminium eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, wird die Wärmeübertragung maßgeblich durch die dielektrische Schicht unterstützt, die sich zwischen den Kupferleiterbahnen und dem Aluminium befindet. In einigen Designs liegt die Wärmeleitfähigkeit der Isolationsschicht zwischen 1 W/mK und 10 W/mK.

Gleichung für den thermischen Widerstand:

Ein niedrigerer Rth-Wert weist auf eine bessere Wärmeleitung hin. Hersteller verbessern die thermische Leistung von Aluminium-PCBs erheblich, indem sie die dielektrischen Materialien optimieren und deren Dicke reduzieren.

Wärmeableitung und thermische Ausdehnung bei Aluminium-PCBs

Bei der Wärmeabfuhr übertreffen Aluminium-PCBs herkömmliche FR4-Leiterplatten deutlich. Zum Beispiel weist eine Aluminium-PCB mit einer Dicke von 1,6 mm einen thermischen Widerstand (TR) von 2–3 Grad pro Watt auf. Eine FR4-Leiterplatte gleicher Dicke hingegen besitzt einen TR von 22–25 Grad pro Watt. Auch der thermische Ausdehnungskoeffizient variiert je nach Material. Aluminium-PCBs haben aufgrund ihrer guten Wärmeableitungsfähigkeit keine signifikanten Probleme mit thermischer Ausdehnung oder Kontraktion.

Aluminium-PCBs vs. traditionelle FR-4-PCBs

Anwendungen von Aluminium-PCBs

1. LED-Beleuchtung: Aluminium-PCBs werden häufig in LED-Leuchten und -Glühbirnen eingesetzt, um die von Hochleistungs-LEDs erzeugte Wärme zu kontrollieren. Da die Basis der Leiterplatte direkt mit dem nächstgelegenen Kühlkörper verbunden werden kann, sind sie in nahezu allen LED-Leuchtmitteln zu finden.

2. Leistungselektronik: Sie werden eingesetzt, wenn ein höherer Leistungsbedarf besteht oder wenn Spannungs- bzw. Stromumwandlungen durchgeführt werden. Beispiele hierfür sind Netzteile, Spannungsregler und Konverter.

3. Unterhaltungselektronik: Aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung elektronischer Geräte sind kleine Kühlkörper heutzutage oft nicht mehr die beste Wahl. In solchen Fällen stellt eine Metallkern-Leiterplatte die bevorzugte Lösung dar. Anwendungen in der Unterhaltungselektronik umfassen Computer, mobile Geräte und LCD-Hintergrundbeleuchtungen.

4. Medizintechnik: MRT-Scanner, Operationsleuchten und Diagnosegeräte sind Beispiele für hochpräzise elektronische Geräte, die stets möglichst kühl betrieben werden müssen.

Fazit

In Fällen, in denen die Erwärmung von Bauteilen ein zentrales Problem darstellt, haben wir mehrere Gründe aufgezeigt, warum Aluminium-PCBs überlegen sind. Aufgrund des steigenden Bedarfs an leistungsstarken und kompakten Geräten sind Aluminium-PCBs mittlerweile die bevorzugte Lösung für das Wärmemanagement. Sie übertreffen FR4 in Bezug auf mechanische Robustheit und hohe Wärmeleitfähigkeit. Dennoch gibt es weitere Techniken, um das Eindringen von Wärme in Schaltungen während des Betriebs zu verhindern, und es stehen stets zusätzliche Kühllösungen zur Verfügung. Dazu zählen aktive Kühlmethoden, Kühlkörper, Heatpipes und einfache CPU-Lüfter. Durch das Verständnis der Prinzipien der Wärmeübertragung können Ingenieure langlebige und effiziente elektronische Geräte entwickeln.