Aluminium Basisprintplaten versus FR4 Metaalkernprintplaten: Een Uitgebreide Gids

In de wereld van high-power elektronica is thermisch beheer een make-or-break.de keuze van het PCB-substraat heeft rechtstreeks invloed op de prestatiesTwee populaire opties voor warmte-intensieve toepassingen zijn PCB's op basis van aluminium en FR4 metalen kern PCB's, maar ze zijn verre van uitwisselbaar.Deze gids beschrijft de verschillen, voordelen, ideale toepassingen en hoe u de juiste voor uw project kunt kiezen.

Belangrijkste lessen
1Aluminiumbasis-PCB's verdrijven warmte 5×8x sneller dan standaard FR4, waardoor ze ideaal zijn voor high-power LED's en 100W+ apparaten.
2.FR4-metalen kern-PCB's bieden een evenwicht tussen thermische prestaties en kosten, met een 2×3x betere warmteafvoer dan standaard FR4.
3PCB's op basis van aluminium zijn uitstekend in extreme temperaturen (-50°C tot 150°C), terwijl metalen FR4-PCB's beperkt zijn tot maximaal 130°C.
4.Kostenmatig zijn PCB's op basis van aluminium 1,5x2x duurder dan FR4-metalen kernopties, maar leveren een superieure betrouwbaarheid op lange termijn in omgevingen met hoge temperaturen.

Wat zijn PCB's op basis van aluminium?
Aluminiumbasis-PCB's (ook wel aluminiumkern-PCB's genoemd) zijn voorzien van een dunne laag van thermisch geleidend dielectrisch materiaal die is gebonden aan een dikke aluminiumsubstraat (typisch 0,8 ∼ 3,0 mm dik).:
a.Aluminiumkern: 90-95% van de dikte van het plaatje, als warmteafzuiger.
b.Thermische dielectrische laag: 50 ‰ 200 μm dik (vaak met keramisch gevulde epoxy) met een hoge thermische geleidbaarheid (1 ‰ 5 W/m·K).
c. koperen schakellaag: 1 ̊3oz (35 ̊105 μm) voor stroomdraging en signaalrouting.
Dit ontwerp creëert een "thermisch pad" dat warmte van componenten rechtstreeks naar de aluminiumkern trekt, die deze vervolgens in de omliggende omgeving verspreidt.

Hoe PCB's op basis van aluminium werken
a. warmteoverdracht: wanneer een onderdeel (bv. een LED-chip) warmte genereert, stroomt deze door de koperschaal naar de thermische dielektrische en vervolgens naar de aluminiumkern.
b. Warmteafvoer: de aluminiumkern verspreidt warmte over zijn oppervlak en gebruikt zijn grote oppervlakte om passief af te koelen (of met warmteafzuigers voor actieve koeling).
c. Elektrische isolatie: de dielectrische laag voorkomt elektrische geleiding tussen het kopercircuit en de aluminiumkern, waardoor veiligheid en functionaliteit worden gewaarborgd.

Wat zijn FR4-PCB's met metalen kern?
FR4 metalen kern PCB's (MCPCB's) combineren de bekendheid van FR4 met een metalen kern voor een verbeterde thermische prestaties.
a.Metalen kern: meestal aluminium of koper, 0,3 ∼ 1,5 mm dik (dunner dan PCB's op basis van aluminium).
b. FR4-lagen: 1 ∼2 lagen standaard FR4 (glasversterkt epoxy) verbonden met de metalen kern, die mechanische sterkte bieden.
c. koperen schakellaag: 1 ‰ 2 oz (35 ‰ 70 μm), vergelijkbaar met standaard PCB's maar geoptimaliseerd voor warmte-stroom.
De thermische geleidbaarheid hier komt van de metalen kern, maar de FR4-lagen fungeren als een gedeeltelijke barrière die de warmteoverdracht vertraagt in vergelijking met PCB's op basis van aluminium.

Hoe FR4-PCB's met metalen kern werken
a. Warmteoverdracht: de warmte van de onderdelen gaat door de koper- en FR4-lagen naar de metalen kern, die zich over het hele bord verspreidt.
b.Compromisontwerp: de FR4-lagen voegen structurele stijfheid toe, maar verminderen de thermische efficiëntie, waardoor ze een middenweg vormen tussen standaard FR4- en aluminiumbasis-PCB's.
c.Cost-efficiëntie: door gebruik te maken van FR4 (een goedkoop materiaal), vermijden deze PCB's de premie van zuivere aluminiumbasisontwerpen, terwijl ze nog steeds beter presteren dan standaard FR4.

Aluminiumbasis versus FR4-PCB's met metalen kern: belangrijkste verschillen
De onderstaande tabel toont hun kritieke prestatie- en ontwerpverschillen:

Termische prestaties: waarom het belangrijk is
In krachtige toepassingen kan zelfs een temperatuurverhoging van 10°C de levensduur van componenten met 50% verminderen (volgens de Arrhenius-vergelijking).

PCB's op basis van aluminium: superieure warmtebehandeling
a.Thermische geleidbaarheid: de met keramiek gevulde dielectrische laag (1 ‰ 5 W/m·K) heeft een 5 ‰ 25 keer hogere prestaties dan FR4 (0,2 ‰ 0,3 W/m·K).
b.Echte impact: een 100 W LED-driver op een PCB op basis van aluminium werkt 25-30 °C koeler dan hetzelfde ontwerp op een FR4-metalen kern.
c. Toepassingen: ideaal voor apparaten met een vermogensafvoer van > 50 W, zoals:
High-bay LED-verlichting (100 ∼300 W).
LED-koplampen voor auto's (50 ∼ 150 W).
Industriële motorcontrollers (200 ‰ 500 W).

FR4-PCB's met metalen kern: evenwichtige prestaties
a. Thermische geleidbaarheid: de metalen kern verbetert de warmte doorstroming, maar FR4-lagen beperken deze tot 0,8 ̊2 W/m·K.
b.Echte impact: een 30 W-stroomtoevoer op een FR4-metalen kern-PCB loopt 15 ∼20 °C koeler dan standaard FR4, maar 10 ∼15 °C warmer dan een aluminiumbasis-PCB.
c. Toepassingen: geschikt voor apparaten met een middenvermogen (10 ∼ 50 W), met inbegrip van:
LED-strookcontrollers (10 30 W).
Kleine DC-DC-omvormers (15 ∼40 W).
Consumentenelektronica (bijv. laptopopladers).

Voordelen van PCB's op basis van aluminium
PCB's op basis van aluminium zijn uitstekend in scenario's waar warmte de belangrijkste zorg is:
1. Extreme temperatuur weerstand
Deze systemen kunnen continu worden gebruikt bij 150 °C (tegenover 130 °C voor FR4-metalen kern), waardoor ze ideaal zijn voor:
Onder de motorkap.
Industriële ovens en hoge temperatuur sensoren.

2. Superieure warmteverwijdering
Het directe thermische pad van componenten naar de aluminiumkern minimaliseert hotspots en vermindert de storingspercentages van componenten met 40~60% in toepassingen met een hoog vermogen.

3Duurzaamheid en betrouwbaarheid
Aluminiumkern is bestand tegen vervorming onder thermische spanning (algemeen in standaard FR4-PCB's met grote temperatuurschommelingen).
Weerstand bieden tegen corrosie in vochtige omgevingen (met de juiste coating), en zijn duurzamer dan FR4-metalen kern-PCB's in maritieme of buitenauto's.

4. Vereenvoudigde koeling
Een LED-driver van 200 W op een PCB met aluminiumbasis kan bijvoorbeeld passief worden gekoeld.Terwijl hetzelfde ontwerp op FR4 metalen kern een hittezuiger vereist.

Voordelen van FR4-PCB's met metalen kern
FR4-PCB's met metalen kern schitteren in kostengevoelige toepassingen bij matige hitte:
1. Lagere kosten
30~50% goedkoper dan PCB's op basis van aluminium, waardoor zij aantrekkelijk zijn voor consumentenelektronica met een groot volume (bijv. LED-lampen, kleine voedingsbronnen).

2. Compatibiliteit met standaardproductie
Gebruik dezelfde fabricageprocessen als standaard FR4-PCB's, waardoor installatiekosten en doorlooptijden worden verminderd.

3Lichte ontwerp.
Een dunnere metalen kern en FR4-lagen maken ze 20-30% lichter dan PCB's op basis van aluminium, ideaal voor draagbare apparaten (bijv. op batterijen aangedreven LED-werkplampen).

4Goed mechanisch sterkte
FR4-lagen voegen stijfheid toe, waardoor ze meer bestand zijn tegen buigbaarheid dan pure PCB's op basis van aluminium, bruikbaar in trillingsgevoelige omgevingen (bijv. ventilatoren, kleine motoren).

Beperkingen die in aanmerking moeten worden genomen
Geen van beide opties is perfect. Het begrijpen van hun zwakke punten is cruciaal voor het succes van het ontwerp.
Beperkingen voor PCB's op basis van aluminium
Hoger de kosten: 1,5 ‰2 keer de prijs van FR4-metalen PCB's, wat voor goedkope producten met een groot volume onbetaalbaar kan zijn.
Gewicht: Zwaarder dan een FR4-metalen kern, waardoor ze minder geschikt zijn voor draagbare apparaten.
Ontwerpbeperkingen: dikkere aluminiumkern beperkt de flexibiliteit; niet ideaal voor gebogen of flexibele toepassingen.

Beperkingen voor FR4-metalen kern-PCB's
Thermisch plafond: maximale werktemperatuur van 130°C (tegenover 150°C voor aluminiumbasis) beperkt het gebruik in extreme omgevingen.
Warmteophoping: FR4-lagen vertragen de warmteoverdracht, wat leidt tot hogere onderdelentemperaturen bij toepassingen van > 50 W.
Beperkte aanpassing: thermische prestaties zijn moeilijker aan te passen dan PCB's op basis van aluminium, die verschillende dielectrische materialen kunnen gebruiken voor specifieke warmtebehoeften.

Ideale toepassingen voor elk type
Het overeenstemmen van het PCB met de toepassing zorgt voor optimale prestaties en kosten:

PCB's op basis van aluminium zijn het beste voor:
LED's met een hoog vermogen: straatverlichting, stadionverlichting en lampen voor grote ruimtes (100W+).
Automobiele elektronica: motorbesturingseenheden (ECU's), LED-koplampen en batterijbeheersystemen (BMS).
Industriële voedingsmiddelen: 200W+ AC-DC-omvormers en motoren.
Buitenelektronica: weerbestendige LED-displays en zonne-omvormers.

FR4 metalen kern PCB's zijn het beste voor:
Middenvermogen-LED's: residentiële verlichting, LED-strips en bordenverlichting (10 ¢ 50 W).
Consumentenelektronica: Laptopopladers, voedingsmiddelen voor spelconsoles en kleine audioversterkers.
Draagbare apparaten: op batterijen werklichten en handgereedschappen.
Kosteneffectieve industriële apparaten: sensoren met een laag vermogen en kleine motorcontrollers (10 ∼30 W).

Hoe te kiezen
Volg dit besluit om het juiste PCB te selecteren:
1. Bereken energieverspilling
< 50 W: FR4-PCB's met een metalen kern bieden voldoende thermische prestaties tegen lagere kosten.
50W: PCB's op basis van aluminium zijn de investering waard om oververhitting te voorkomen.

2Controleer de werktemperatuur.
Als het apparaat boven 130°C zal werken (bijv. in de buurt van motoren of ovens), moet de basis van aluminium worden gekozen.
Bij 130°C en lager is een FR4-metalen kern voldoende.

3. Evalueer kosten versus levensduur
Producten met een korte levensduur (bijv. wegwerpconsumentenelektronica): metalen FR4-kernen verlagen de aanloopkosten.
Langdurige producten (bijv. industriële apparatuur met een garantie van meer dan 5 jaar): PCB's op basis van aluminium verlagen de vervangingskosten door storingen te verminderen.

4Denk aan de vormfactor.
Draagbare/lichte apparaten: het lichte gewicht van de FR4-metalen kern is een voordeel.
Vaste installaties: de superieure warmteafvoer van de aluminiumbasis rechtvaardigt het extra gewicht.

Vervaardigingsoverwegingen
De productieprocessen verschillen enigszins, wat van invloed is op de doorlooptijden en de kosten:

Vervaardiging van PCB's op basis van aluminium
Selectie van dielektrische stoffen: kies voor algemeen gebruik keramisch gevulde epoxide stoffen (13 W/m·K) of voor extreme hitte dielektrische stoffen op basis van siliconen (35 W/m·K).
Aluminiumdikte: dikkere kernen (2 ‰ 3 mm) verbeteren de warmteafvoer, maar verhogen het gewicht en de kosten.
Kopergewicht: Gebruik 2 ̊3 oz koper voor hoogstroompaden (algemeen in stroomvoorzieningen).

Vervaardiging van PCB's met FR4-metalen kern
Metalen kernmateriaal: Aluminium is goedkoper dan koper; koperkernen bieden een betere warmtegeleidbaarheid, maar kosten 20~30% meer.
FR4-laagdikte: 0,1 ∼ 0,2 mm laagjes die de stijfheid en thermische prestaties in evenwicht brengen.
Etseringsnauwkeurigheid: FR4-lagen vereisen zorgvuldig etsen om schade aan de metalen kern te voorkomen, waardoor de productiecomplexiteit toeneemt.

Vaak gestelde vragen
V: Kunnen PCB's op basis van aluminium worden gebruikt met flexibele ontwerpen?
Voor flexibele, hoge temperatuur toepassingen, gebruik flexibele metalen kern PCB's met dunne koperkernen.

V: Voldoen FR4-metalen PCB's aan de RoHS-normen?
A: Ja – net als PCB's op basis van aluminium worden er loodvrije materialen gebruikt en zijn ze compatibel met RoHS, REACH en andere milieunormen.

V: In hoeverre beïnvloedt de thermische geleidbaarheid de prestaties?
A: Significant. Een 2 W/m·K aluminiumbasis-PCB zal een 100 W-component 15 °C koeler laten draaien dan een 1 W/m·K FR4 metalen kern-PCB.

V: Kan ik warmteafzuigers toevoegen aan FR4-metalen kern-PCB's om de prestaties van de aluminiumbasis te matchen?
A: Ja, maar warmtezuigers voegen kosten, grootte en gewicht toe, waardoor de voordelen van FR4-metalen kernen vaak worden tenietgedaan.

V: Hebben PCB's op basis van aluminium speciale assemblageprocessen nodig?
A: Nee, ze gebruiken standaard SMT- en door-gat assemblage technieken, maar er moet voorzichtig worden om te voorkomen dat de starre aluminium kern wordt gebogen.

Conclusies
PCB's op basis van aluminium en FR4 metalen kern-PCB's lossen beide thermische uitdagingen op, maar hun sterke punten voldoen aan verschillende behoeften.extreme temperatuurtoepassingenIn de eerste plaats is het belangrijk dat de productie van FR4 metalen kern PCB's in de EU in de eerste plaats wordt gecontroleerd.Biedt een budgetvriendelijke middenweg voor apparaten met een middenvermogen waarbij kosten en gewicht belangrijker zijn dan de uiteindelijke thermische prestaties.
Door uw keuze af te stemmen op de energiebehoeften, de bedrijfsomstandigheden en het budget, zorgt u ervoor dat uw PCB niet alleen werkt, maar ook duurzaam is.de “best” optie is degene die prestaties en bruikbaarheid voor uw specifieke project in evenwicht brengt.