Er bestaan verschillende termen om deze categorie printplaten te definiëren, zoals metalen printplaat, geïsoleerd metaalsubstraat (IMS of IMPCB), printplaat met een metalen kern (MCPCB), aluminiumomhulling, aluminiumbasis en nog veel meer. Hoewel ze schijnbaar verschillend zijn, verwijzen al deze definities naar hetzelfde type printplaat, waarvan de technische kenmerken en voordelen identiek zijn. Vergeleken met de traditionele FR-4-printplaten op basis van epoxyglas bieden metalen printplaten in de eerste plaats een grotere warmtedissipatie dankzij een 5 tot 10 maal hoger warmtegeleidingsvermogen en tot 10 maal minder dikte in vergelijking met conventionele structuren. Dankzij de bijzonder efficiënte overdracht van warmte-energie kunnen metalen printplaten zeer lichte koperlagen gebruiken, waardoor zowel de kosten als de dikte van de oplossing worden verminderd.
Metalen printplaten bestaan uit een diëlektrische laag met een hoog warmtegeleidingsvermogen (en dus een hoge dissipatie), een metalen laag en een koperfilm met een hoog warmtedissipatievermogen en een hoge mechanische sterkte, gebruikt voor de lithografie van schakelingen. De meest gebruikte materialen voor de fabricage van de metalen lagen zijn aluminium en koper, maar in sommige toepassingen kan ook roestvrij staal worden gebruikt. Koper biedt betere prestaties en elektrische eigenschappen dan aluminium, maar de kosten ervan zijn relatief hoger. De metalen laag kan volledig uit metaal bestaan, of uit een combinatie van glasvezel (FR-4) en metaal. Metalen printplaten kunnen enkel- of dubbelzijdig zijn, terwijl de meerlaagse versie minder gangbaar is vanwege de hoge productiecomplexiteit. In het geval van een meerlaagse printplaat met een metalen kern moeten de lagen gelijkmatig verdeeld zijn ten opzichte van de binnenste metalen laag; bijvoorbeeld in een printplaat met 12 lagen zal de metalen laag in het midden van de stack-up geplaatst worden, met 6 lagen erboven en 6 lagen eronder.
Aangezien metaal gemakkelijk warmte kan overdragen door het af te voeren van componenten met een hoog vermogen, omvatten typische toepassingen van metalen printplaten voedingen, stroomomzetters, ledverlichtingssystemen en stroomcircuits in automobielomgevingen (koplampen, verlichting, koeling, klimaat en nog meer). Dit soort technologie maakt het, naast een efficiënt warmtebeheer, mogelijk om de levensduur van componenten (zoals leds) te verlengen, waardoor de betrouwbaarheid van de gehele schakeling wordt verbeterd.
Structuur en toepassingen
De MCPCB-technologie, die aanvankelijk in de jaren 1960 werd geïntroduceerd voor toepassingen met een hoog vermogen, wordt tegenwoordig op grote schaal gebruikt in toepassingen waarbij een lagere bedrijfstemperatuur moet worden gehandhaafd. Het diëlektrische isolatiemateriaal, dat de kern vormt van elke metalen printplaat, is zo ontworpen dat het een warmtegeleidingsvermogen heeft (meestal tussen 1W/mK en 9W/mK) dat veel hoger is dan dat van de FR-4, waardoor de warmte efficiënt kan worden afgevoerd. Het hoge warmtegeleidingsvermogen en de beperkte dikte van de isolatielaag (de standaardmaat is 100 µm) maken een snelle en efficiënte overdracht van de ontwikkelde warmte mogelijk. Een algemeen gebruikte warmtegeleidingswaarde voor de diëlektrische laag is 2W/mK, een veel hogere waarde dan die van FR-4. De beste resultaten worden verkregen door de diëlektrische laag zo dun mogelijk te houden. Op die manier kan de warmtedissipatie vanaf de plaats van ontstaan tot aan de metalen laag, die thermisch gezien vele malen beter geleidt dan het diëlektrische materiaal, tot een minimum worden beperkt.
De structuur van een klassieke metalen printplaat wordt weergegeven in figuur 1. De bovenste laag wordt gevormd door een dunne koperfilm waarop sporen zullen worden geëtst zoals dat ook gebeurt bij conventionele printplaten. De typische dikte van deze laag ligt tussen 1oz en 4oz, maar kan ook groter zijn. De binnenste laag wordt gevormd door het diëlektrische materiaal, waarvan de functie is de metalen laag elektrisch te isoleren van de koperfilm, terwijl een snelle warmteoverdracht tussen de twee lagen mogelijk wordt gemaakt. Ten slotte is er de metalen laag, die in de meeste gevallen van aluminium is gemaakt, met een dikte tussen 1 mm en 3,2 mm (de typische waarde is 1,6 mm).
Figuur 1: typische structuur van een metalen printplaat
De belangrijkste toepassingen van metalen printplaten zijn ledverlichting, motorbesturing in elektrische en hybride voertuigen, solid-state-relais, voedingen, omvormers, spanningsregelaars, zonnepanelen en fotovoltaïsche cellen. Meer in het algemeen is deze technologie geschikt voor toepassingen die veel energie vergen en dus veel warmte genereren. Als de printplaat snel moet worden gekoeld, is het beter een metalen printplaat te gebruiken in plaats van een traditioneel FR-4-substraat. Aluminium, het metaal dat het meest wordt gebruikt voor de metalen laag, heeft zeer voordelige elektrische eigenschappen, waaronder een uitstekend warmtegeleidingsvermogen, tussen 5W/mK en 2W/mK (Watt per meter Kelvin), een hoge doorslagspanning (3kV en meer) en een hoge treksterkte.
Top 5 voordelen van MCPCB’s
Naast een uitstekende warmtedissipatie bieden metalen printplaten een hogere vermogensdichtheid, een hoge elektromagnetische afscherming en een betere capacitieve koppeling. De thermische prestaties kunnen nog verder worden verbeterd door het gebruik van thermische via’s, zoals in traditionele printplaten gebeurt. De vijf belangrijkste voordelen van deze technologie worden nu opgesomd.
1 – Warmtedissipatie
MCPCB’s zijn een van de opties voor printplaten met een hoger warmtegeleidingsvermogen. Door de warmte zoveel mogelijk weg te houden van de vermogenscomponenten, voorkomen ze mogelijke schade aan de schakeling en kunnen ze schakelingen met een hoge dichtheid en hogere vermogens aan. Aluminium is een van de meest gebruikte materialen voor dit soort substraten: naast de elektrische eigenschappen heeft aluminium het voordeel dat het recycleerbaar is en weinig kost. Printplaten met een metalen kern dragen 8 tot 9 maal sneller warmte over dan printplaten gemaakt met FR-4. De diëlektrische laag moet zeer dun zijn om de kortste weg van de warmtebron naar de dragende metalen plaat te creëren. De dikte is gewoonlijk tussen 0,003 en 0,006 inch. Een test uitgevoerd op een MCPCB met geïntegreerde 1W led liet bijvoorbeeld zien dat de temperatuur vrij dicht bij de omgevingstemperatuur van 25°C bleef, terwijl dezelfde hoogvermogensled gemonteerd op een FR-4-plaat een temperatuur 12°C hoger dan de omgevingstemperatuur bereikte.
2 – Betere sterkte en stabiliteit
De recente en snelle ontwikkeling van ledtechnologie, vooral met hoogvermogensledverlichting, heeft geleid tot bezorgdheid over de warmtedissipatie. Aangezien deze leds gewoonlijk rechtstreeks op de printplaat worden gemonteerd, kunnen er stabiliteits- en betrouwbaarheidsproblemen voor de schakeling ontstaan. Zonder de juiste techniek kan de warmtedissipatie de prestaties van elektronische apparaten die op hoog vermogen werken, hinderen. Het gebruik van metalen printplaten in deze toepassingen lost dit probleem doeltreffend op. Aluminium is niet alleen zeer duurzaam, het is ook zeer licht en voegt sterkte en veerkracht toe aan de printplaat zonder dat het gewicht toeneemt.
3 – Dimensionale stabiliteit
De afmetingen van een metalen printplaat blijven stabieler, naarmate de omgevingsomstandigheden variëren, dan die van een printplaat gemaakt met traditionele materialen, zoals FR-4. Onderworpen aan een verwarmingsproces van 30°C tot ongeveer 150°C, hebben printplaten met metalen lagen (zoals aluminium) een zeer kleine variatie in grootte ondergaan, variërend van 2,5% tot 3,0%.
4 – Lager gewicht en hogere recycleerbaarheid
Printplaten met metalen substraten zijn lichter, gaan langer mee en zijn beter geleidend dan traditionele printplaten van epoxymaterialen. Bovendien zijn ze milieuvriendelijker, omdat de gebruikte metalen, waaronder aluminium, niet giftig zijn en gemakkelijk kunnen worden gerecycleerd. Aluminium is zeer gemakkelijk te delven en te raffineren, waardoor het aanzienlijk minder duur is dan andere metalen. Bijgevolg kunnen ook de productiekosten van printplaten met aluminiumsubstraten worden verlaagd. Aluminiumprintplaten zijn ook een kosteneffectief alternatief voor duurdere en omvangrijkere koellichamen. Aluminium is bovendien een niet-toxisch en volledig recycleerbaar metaal. In de keten die de producent met de eindgebruiker verbindt, draagt het gebruik van aluminium in metalen printplaten bij tot het behoud van onze planeet.
5 – Langere levensduur
Aluminium is sterker en duurzamer dan de materialen die gewoonlijk bij de productie van printplaten worden gebruikt, zoals keramiek en glasvezel. Het is een zeer robuust metaal dat in staat is het risico van een toevallige breuk te verminderen, die kan optreden tijdens de verschillende stadia van de productie, tijdens de assemblage of tijdens het normale gebruik van het eindproduct. Figuur 2 toont enkele voorbeelden van aluminiumprintplaten voor toepassingen op het gebied van ledverlichting.
Figuur 2: enkele voorbeelden van printplaten op basis van aluminium
