Metallkern-Leiterplatten Designrichtlinien für IMS-Leiterplatten mit Aluminiumkern

Die Metallkern-Schaltung oder IMS-Leiterplatte (IMS: Insulated Metallic Substrate) ist ein geeigneter Schaltungsträger, wenn die Leiterplatte großen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, eine hohe Dimensionsstabilität verlangt wird oder hohe Temperaturen von Leistungsbauteilen oder LEDs abgeführt werden müssen. Der Leiterplattenhersteller db electronic empfiehlt für die Schaltungen mit Aluminiumkern folgende Designrichtlinien.

Anbieter zum Thema

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Eurocircuits GmbH

Alukern-Schaltungen führen die entstehende Wärme von Leistungsbauteilen ab und verteilen diese gleichmäßig über die gamte Leiterplatte. Als Basismaterial verwendet man anstelle des üblichen FR4-Materials eine Metallplatte, deren Oberfläche einschliesslich der Lochwandungen mit einer Isolierschicht versehen ist.

Der Metallkern besteht vorzugsweise aus Aluminiumblech in der Dicke 0,25 bis 2,0 mm. Es ist grundsätzlich möglich, alternative Materialien wie beispielsweise Kupfer oder Messing zu verwenden. Die vergleichsweise hohen Rohstoffpreise würden die Schaltung allerdings unnötig verteuern. Die Isolierschicht besteht aus Epoxidharz-Glasfaser- Material (Prepregs). Der Harzüberschuss dient als Lochwandisolierung.

Die Vorteile einer Alukern-Leiterplatte sind:

• höhere mechanische Festigkeit,
• geringe Feuchtigkeitsaufnahme,
• geringer Ausdehnungskoeffizient insbesondere in der Z-Achse,
• Ableitung der in den Leistungsbauteilen gebildeten Wärme und
• Wärmesensorik: Mit einer Metallkern-Schaltung ist es möglich, die von den Leistungsbauteilen erzeugte Wärme mit einem Sensor zu erfassen und für Regelungs- und Steuerungszwecke zu verwenden

Es ist empfehlenswert auf der Alu-Kern-Schaltung den reinen Leistungsteil unterzubringen. Der Steuerteil sollte auf einer separaten Standardleiterplatte Platz finden. Alukern-Schaltungen können wie normale Leiterplatten im Nutzen oder vereinzelt gefertigt sowie gefräst und geritzt werden. Die Kostentreiber sind die Dicke des Aluminium (Rohstoffpreise), Dicke des Kupfer (Rohstoffpreise) und die Anzahl der Bohrungen (Werkzeugverschleiß).

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Bohrabstände und Durchmesser für Alukern-Schaltungen

Wichtigstes Kriterium ist der Mindestabstand für Bohrungen, den diese Art von Leiterplatte mit sich bringt. Bei 2-seitigen Alukernschaltungen muss der Aluminiumkern gegen die Durchkontaktierung isoliert werden. Das geschieht mittels Harzüberschuß beim Verpressen des Alukerns mit Prepregs und Kupfer. Dazu muss der Alukern vorgebohrt werden. Kleinster Bohrdurchmesser ist 1.0 mm im Alukern, kleinster Enddurchmesser in der Leiterplatte 0.3 mm. Damit die Bohrer bei zu dichtgesetzten Bohrungen nicht beschädigt werden, ist ein Mindestabstand von 1.2 mm erforderlich. Dies ist in der Regel bereits das k.o. Kriterium für ein dichtgepacktes Steuerteil.

Ausführungen von Alukern-Schaltungen

a) 1-seitige Leiterplatten auf Alu-Träger

Bei einer 1-seitigen IMS-Leiterplatte auf einem Aluminumträger wird auf einen Alu-Träger mittels Prepregs eine Kupferfolie auflaminiert. Üblicherweise verfügt diese Ausführung nur über Befestigungsbohrungen.

b) Mehrlagige Leiterplatte mit Alu-Kern

Für die Konstruktion einer mehrlagigen IMS-Leiterplatte mit einem Aluminumkern werden auf der Ober- und Unterseite des Alu-Kern mittels Prepregs Kupferfolien auflaminiert. Die IMS-Leiterplatte kann durchkontaktiert werden. Bei dieser Konstellation ist auch die Fertigung von Multilayern mit einem 0.5 mm Alu-Kern möglich.

c) Leiterplatten auf Wärmeleitblech

Fertige Leiterplatten werden mittels Prepreg mit einem Alu-Träger verpresst. Vorteil: es können auch Multilayer verwendet werden (nur 1-seitig SMD), partieller Alu-Träger möglich.

Nachteil: schlechte Wärmeableitung, da die entstehende Wärme durch die gesamte Leiterplatte abgeführt werden muss.

Der Alu-Träger kann bei dieser Ausführung auch partiell aufgebracht werden. Wichtig hierbei ist, dass der Träger über 2 Enden der Leiterplatte reicht, da sonst eine exakte Positionierung nicht möglich ist.

d) Alu-Flex

Eine weitere Möglichkeit ist der Aufbau als Starrflex-Leiterplatte, wobei der Alu-Träger als starrer Bereich der Leiterplatte dient. Möglich ist so z.B. die Anbindung eines Steuerteils über den herausgeführten Flexbereich als Steckerverbinder.

Technische Parameter einer Alukern-Schaltung

Dicke Alukern 0.5 bis 2.0 mm

Dicke Kupfer 18 bis 105 μm

kleinste Bohrung LP (DK): d ≥ 0.3 mm

kleinste Bohrung LP (NDK) d ≥ 1.0 mm

kleinste Bohrung Alu: d ≥ 1.0mm

Abstand Bohrung – Bohrung: a >1.2 mm

min. Fräser: d ≥ 1.6 mm

Oberflächen: HAL, HAL bleifrei, OSP, chem. Sn - chem. Sn ist grundsätzlich als Leiterplattenoberfläche nicht empfehlenswert

Löstopplacke: grün, weiß

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