金屬核心 PCB 材料：熱真相與設計規則
2 分鐘
金屬核心 PCB（MCPCB）是一種特殊板材，以金屬基材取代標準 FR-4。這層金屬核心如同內建散熱片，可提升高功率電子的散熱能力。基本疊構很簡單：
- 頂層為銅導體層。
- 中間為薄介電絕緣層。
- 底部為厚金屬基板。
這種結構提供優異的 熱擴散 能力與便利的接地平面，但代價是板子比典型 FR-4 更重、更貴。MCPCB 廣泛用於 LED 照明與電源供應器等會產生大量熱的應用。本文將破解不同核心金屬的迷思，說明介電層如何真正控制熱流，並比較實際的熱導率數據。
「金屬核心 PCB 材料」的真正含義
金屬構成板的結構基礎，並充當巨型散熱片。銅層通常 1–3 oz，位於頂部承載電路走線；下方是薄介電層，一般 25–100 µm，用來將銅與金屬電氣隔離；最底層為金屬核心，通常是 1.0–3.2 mm 的鋁板，負責橫向散熱。
鋁的熱導率為 150–235 W/mK，銅則為 380–400 W/mK，兩者都比 FR-4（0.3 W/mK）快得多。
銅核心板聽起來很棒，但銅重且昂貴，因此幾乎所有 MCPCB 都改用鋁。鋼核心 PCB 存在，用於機械強度或 EMI 屏蔽，但熱性能差很多。金屬核心提供機械支撐並自然成為接地/屏蔽層，然而熱必須先穿過薄介電層，這就是介電層成為真正熱瓶頸的原因。
鋁 vs 銅 vs 鋼核心 — 結構與迷思
| 材料 | 熱導率 (W/m·K) |
| FR-4 (環氧玻璃) | 0.3 |
| 鋁 | 150 – 235 |
| 銅 | 380 – 400 |
| 鋼 | 20 - 60 |
鋁核心 (Al)：鋁相對便宜、輕量且熱導率佳，通用 MCPCB 多用 1.0–1.6 mm 鋁基。雖然熱性能不如銅，但通常已足夠，設計師常用於一般照明與消費電源。
銅核心 (Cu)：極高熱導率理論上可直接將晶片貼在銅板，但實際上銅 MCPCB 稀少、昂貴且更重。JLCPCB 甚至提供特殊「銅板 PCB」服務，將晶片直接裝在銅板上。
鋼核心：僅在需要超高強度或磁性板時使用，熱導率低，換句話說鋼核心板比鋁板更熱，僅在有特殊機械需求時採用，且需接受較差的散熱。
介電層角色（真正的熱橋）
薄介電/絕緣層（通常 50–150 µm）夾在熱銅電路與金屬基板之間，雖提供電氣隔離，卻大幅限制熱流。實際上介電層才是 MCPCB 的最大熱瓶頸。許多人忽略：銅貼金屬看似光鮮，中間卻有層黏膠，其熱導率僅 5–10 W/mK。
結果：傳統 MCPCB（標準介電）整體有效熱導率只有個位數 W/mK，僅有採用陶瓷填充介電的超高性能 IMS 板才能突破 10 W/mK。若需終極熱導率，設計師有時會在 COB-MCPCB（板上晶片金屬核心 PCB）中完全跳過絕緣層，將晶片直接黏在金屬基板上，使熱感受到完整金屬導熱，有效熱導率可超過 200 W/mK。
可信的熱性能數據
評估或比較 MCPCB 時，請依實測導熱值而非單純金屬數據。關鍵熱數據如下：
| 類別 | 熱導率 (W/m·K) |
| 介電層 (MCPCB 絕緣) | 1–10 (高階) |
| 鋁基 | 138–235 |
| 銅基 | 380–400 |
| 整體 MCPCB 疊構 | 1–4 |
厚度影響：較厚金屬基板有更大熱容，熱阻路徑略低，但熱主要在板平面橫向擴散。若熱源小，1 mm 板已能廣泛散熱，增至 2 mm 對熱點降溫幫助有限，卻會增加質量使升溫變慢。
2025 可選金屬核心 PCB 材料等級
實務上 MCPCB 依絕緣層導熱能力分級：
- 標準 (1–3 W/m·K)：基本 MCPCB 採用通用 FR-4 基介電或簡單填充料，熱導率約 1–3 W/m·K。
- 中階 (3–6 W/m·K)：較佳板材使用特殊聚合物或矽膠層，將導熱提升至數 W/m·K，常見於汽車模組或工業轉換器。
- 極致 (6–12+ W/m·K)：尖端 MCPCB 採用高性能絕緣金屬基板 (IMS) 含陶瓷填充或陶瓷基底，如氮化鋁或氧化鋁陶瓷層，可將板子熱導率推至高位數或低十位數。
區分專家與燒板菜的設計法則
即使材料對了，差勁的布局也會毀掉 MCPCB。關鍵法則如下：
通孔類型（通孔、盲孔、熱孔）與電流限制
| 通孔類型 | MCPCB 用途 |
| 通孔 | 訊號、安裝 |
| 盲/埋孔 | 少見/不實用 |
| 熱孔 | 僅導熱 |
| 焊盤內孔 | 熱優化 |
電流容量：粗略而言，0.254 mm 寬的 1 oz 銅走線可載 1 A，銅厚或線寬加倍約可翻倍電流。MCPCB 若處理 50–200 W，電流可達數十安培；12 V 下 16 A 即 200 W。要連續通 15–20 A，需數毫米級走線。
最小介電厚度 vs 耐壓
絕緣層亦須滿足電氣要求，業界經驗值為每毫米介電可耐 2–3 kV。JLCPCB 規格書載明 1.0 mm 鋁 MCPCB 擊穿電壓 3000 V，介電加厚擊穿電壓大致成比例提升。務必核對廠商擊穿規格，若隔離需求高，選更厚核心或額外絕緣間隙；若金屬基接地，確保防焊或障礙層防止銅與基板間爬電。
50–200 W 應用的銅厚與線寬
處理數十瓦代表大電流，常見設計選擇：
銅厚：厚銅可大幅降低走線電阻。金屬核心板僅頂層有銅，加厚銅箔直接降低傳導損耗與 I²R 發熱。2 oz、3 oz 或更厚需特殊製程，成本增加 50–200%。
走線寬度：IPC 資料顯示 6.35 mm 寬 2 oz 銅走線可載 20 A（溫升 20°C）。若需 20 A，請預留 6–8 mm 寬的 2 oz 走線，並查 IPC 電流-線寬圖表。
熱孔/平面：若用雙面 MCPCB，可將大電流分散至兩層；單面板僅一層導體，本身即「散熱片」。
製程極限與成本因素
為何 MCPCB 比 FR4 貴 2–4 倍
多數 PCB 採購會發現 MCPCB 報價高得驚人，業界指南確實將 MCPCB 列為 約 2–4 倍 於 普通 FR-4 板：
材料成本：鋁板與高 k 介電每平方米成本數倍於 FR-4 基材，1 mm 鋁板遠貴於玻璃環氧。
製程複雜度：MCPCB 需額外壓合與特殊電鍍，銅-介電-鋁需高溫高壓貼合，鑽穿金屬核心也比鑽 FR-4 困難。
良率/測試：熱介電空洞或結合缺陷常導致熱點報廢，良率可能低於 FR-4，許多板子需 100% 熱/機械檢測。
規模與技術：FR-4 樣板屬大量商品，MCPCB 仍屬利基，規模經濟不足，僅少數板廠具備設備與技術。
何時選 MCPCB、FR4+散熱片還是陶瓷板
依以下決策路徑，60 秒即可選出合適散熱方案：
| 方案 | 示例成本（典型） | 約略熱處理能力 | 每瓦成本 |
| FR4 PCB + 散熱片 | $15 | 50 W | $0.30/W |
| 鋁 MCPCB | $25 | 150 W | $0.17/W |
| 高階陶瓷 PCB | $100 | 200 W | $0.50/W |
估算功率與熱通量：若設計總功耗小於 20–50 W 且有空間，標準 FR-4 加散熱片或風扇通常最便宜；若在小板上推 50–200 W，認真考慮 MCPCB。
空間與整合：MCPCB 將散熱片整合於板內，節省體積；FR-4+散熱片需額外空間與扣具，尺寸受限時 MCPCB 常勝出。
機械/環境：重量考量？鋁 MCPCB 比笨重鋼或部分陶瓷板輕。高可靠或高溫環境？MCPCB 抗震與耐熱優於 FR-4。
預算：FR-4 每平方英寸最便宜，若成本優先且熱負載中等，可先試 FR-4+外置散熱片；若散熱片與組裝成本高，MCPCB 較高的板費可能反而划算。
60 秒流程圖：
結論
金屬核心 PCB 是高功率電子熱管理的強大工具。遵守關鍵規則：介電厚度須滿足耐壓，熱孔放置正確，按電流量設計走線寬度避免燒板。設計者僅選足夠的金屬厚度以符合功率與機械強度，因額外金屬更重且昂貴。例如 JLCPCB 標準鋁 MCPCB 最大 1.6 mm，部分廠商提供 3.2 mm 用於整板強化。一般功率選 1 mm，高功率模組選 1.5–2 mm，僅在結構需求時更厚。
若您的 PCB 設計 需在小面積內散去數十瓦，考慮金屬核心；若僅需適度冷卻，FR-4+散熱片更便宜；若需極致 MCPCB 熱管理，則選高性能 IMS 或直接鍵合陶瓷板。遵循以上指南並查閱實際規格書，工程師即可放心選對板材。
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