Hochleitfähige Leiterplatten | Metallkern (MCPCB) & Keramik | Wärmemanagement für Leistungselektronik und LEDs
Thermisch optimierte Leiterplatten für LEDs und Leistungselektronik: Aluminium/Kupfer MCPCB, Aluminiumoxid/Aluminiumnitrid-Keramik, dicke Kupferebenen und hochdichte Wärmedurchkontaktierungen. Getestet bei −40↔+125 °C (minus vierzig bis plus einhundertfünfundzwanzig) Zyklen und Ebenheitskontrolle für optimalen TIM-Kontakt.

Thermische Pfadtechnik & Materialauswahl
Optimierung des Widerstands von der Verbindungsstelle zur Umgebung von der Quelle zur SenkeWenn die Leistungsdichte ~0,5–1,0 W/cm² (etwa null Komma fünf bis eins Komma null Watt pro Quadratzentimeter) überschreitet oder die Verbindungstemperaturen die Gerätegrenzen erreichen, muss die Leiterplatte selbst als aktiver Wärmeverteiler fungieren. Standard-FR-4-Leiterplatten bieten ~0,3–0,4 W/m·K (etwa null Komma drei bis null Komma vier Watt pro Meter-Kelvin) an Wärmeleitfähigkeit, was für Hochleistungs- oder LED-Anwendungen unzureichend ist. Um diese Lücke zu schließen, setzen wir drei Kernansätze ein: Metallkern-Leiterplatten (MCPCBs) für kostengünstige LED- und Leistungsplatinen, Keramik-Leiterplatten (Al₂O₃ oder AlN) für CTE-angepasste und hochleitfähige Designs sowie Leiterplatten mit dicker Kupferlage zur Verbesserung der lateralen Wärmeverteilung unter Leistungshalbleitern und MOSFETs.
In MCPCB-Schichtungen dominiert die Dielektrikumschicht – typischerweise 75–150 μm (fünfundsiebzig bis einhundertfünfzig Mikrometer) – den gesamten Wärmewiderstand. Die Optimierung des Harztyps und des Füllstoffverhältnisses kann diesen um 20–30% (zwanzig bis dreißig Prozent) reduzieren. Unter Wärmequellen positionierte Wärmevia-Arrays verringern weiterhin die vertikalen Widerstandspfade. Siehe unsere MCPCB-Designrichtlinien und LED-Leiterplattenherstellungs-Anleitung für detaillierte Schichtungs- und Layoutstrategien.
Kritisches Risiko: Unzureichende Wärmeableitung führt zu Verbindungstemperatur-Durchgehen, Lötstellenermüdung oder Delaminierung aufgrund wiederholter thermischer Zyklen. Inkonsistente Dielektrikumsdicke oder schlechte Via-Füllung erhöht ebenfalls den thermischen Widerstand und reduziert die Gerätelebensdauer um bis zu 40% (vierzig Prozent).
Unsere Lösung: Wir wenden thermische Schock- und Zyklusvalidierung von −40 °C bis +150 °C (minus vierzig bis plus einhundertfünfzig Grad Celsius) an, um die Materialstabilität und Grenzflächenhaftung zu überprüfen. Mit FEA-basierter (Finite-Elemente-Analyse) thermischer Simulation modellieren wir die Hotspot-Verteilung und optimieren die Kupferverteilung, Dielektrikumsformulierung und Via-Musterung für einen konsistenten Wärmefluss. In extremen Fällen werden Keramik-Leiterplatten oder hoch-Tg-Leiterplatten empfohlen, um thermische Stabilität mit mechanischer Festigkeit zu kombinieren.
Für zusätzliche Einblicke in die Systemzuverlässigkeit erkunden Sie unseren PCB-Wärmemanagement-Blog und verwandte Hochwärme-PCB-Fallstudien, um bewährte Designansätze für LED-Beleuchtung, EV-Wandler und industrielle Leistungselektronik zu sehen.
- MCPCB-Systemleitfähigkeit typischerweise 1–3 W/m·K (eins bis drei Watt pro Meter-Kelvin)
- Keramikoptionen: Aluminiumoxid ~18–25 W/m·K; AlN ~150–170 W/m·K (achtzehn bis fünfundzwanzig; einhundertfünfzig bis einhundertsiebzig)
- Thermische Via-Arrays: Ø0,30–0,50 mm (null Komma drei null bis null Komma fünf null), 1,0–1,5 mm Raster
- Dicke Kupferlage ≥3 oz (größer oder gleich drei Unzen) zur Verteilung
- CTE-bewusste Footprints zum Schutz der Lötstellen während der Zyklen

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Hohlraumfreie Verbindung, Dickentoleranz und OberflächenebenheitVakuumlamination verbindet dünne, keramikgefüllte Dielektrika mit Metallkernen bei einer Dickentoleranz von ±10 % (plus/minus zehn Prozent), um den Wärmewiderstand zu stabilisieren. Bei Keramik-PCBs werden DBC/DPC-Schnittstellen durch thermische Schocktests und Mikroschnittanalysen validiert. Kupfergefüllte Durchkontaktierungen verbessern die vertikale Leitfähigkeit um ~10–20× (etwa zehn- bis zwanzigmal) im Vergleich zu harzgefüllten Designs. Unsere thermische Zuverlässigkeitsprüfung deckt −40↔+125 °C (minus vierzig bis plus einhundertfünfundzwanzig) ab, um die Schnittstellenintegrität zu gewährleisten.
Die Ebenheit und Rauheit der Montagefläche beeinflusst die TIM-Wirksamkeit: Wir halten Ra ≤3 μm (kleiner oder gleich drei Mikrometer) und lokale Ebenheit innerhalb von ±25 μm (plus/minus fünfundzwanzig Mikrometer) über Pad-Feldern. Wo hoher Strom und Hitze zusammenkommen, kombinieren Sie MCPCB oder Keramikmodule mit dicken Kupfer Verteilungsschichten für robuste PDN und Kühlung.
- Vakuumlamination zur Vermeidung von Hohlräumen im Dielektrikum
- Dielektrische Dickentoleranz ±10 % (plus/minus zehn Prozent)
- Kupfergefüllte thermische Durchkontaktierungen (10–20× Leitfähigkeit gegenüber harzgefüllten)
- Oberflächenebenheit/Fenster für TIM-Leistung optimiert
- Automotive Zyklen −40↔+125 °C (minus vierzig bis plus einhundertfünfundzwanzig)
Technische Fähigkeiten von thermischen Leiterplatten
Entwickelt für LEDs, Leistungsumwandlung und RF-PA-Module
Parameter | Standardfähigkeit | Erweiterte Fähigkeit | Standard |
---|---|---|---|
Layer Count | 1–4 Schichten (eins bis vier) MCPCB | Bis zu 40+ Schichten (bis zu vierzig oder mehr) thermische FR-4-Hybride | IPC-2221 |
Base Materials | Aluminium-MCPCB, thermisches FR-4 | Kupferkern-MCPCB, Keramik (Aluminiumoxid, AlN) | IPC-4101/4103 |
Thermal Conductivity (system) | 1–3 W/m·K (eins bis drei Watt pro Meter-Kelvin) | 5–20 W/m·K (fünf bis zwanzig; materialabhängig) | ASTM E1461 |
Dielectric Thickness (MCPCB) | 75–150 μm (fünfundsiebzig bis einhundertfünfzig Mikrometer) | ≤50 μm (kleiner oder gleich fünfzig) Hochleistungsdielektrikum | Manufacturer datasheet |
Board Thickness | 0.8–3.2 mm (null Komma acht bis drei Komma zwei) | 0.4–6.0 mm (null Komma vier bis sechs Komma null) | IPC-A-600 |
Copper Weight | 1–4 oz (eins bis vier Unzen) | Bis zu 10 oz (bis zu zehn Unzen) | IPC-4562 |
Min Trace/Space | 100/100 μm (4/4 mil; einhundert mal einhundert) | 75/75 μm (3/3 mil; fünfundsiebzig mal fünfundsiebzig) | IPC-2221 |
Min Hole Size | 0.20 mm (acht mils) | 0.15 mm (sechs mils) | IPC-2222 |
Via Technology | Harzgefüllte thermische Vias | Kupfergefüllte Vias, gestapelte Mikrovias | IPC-6012 |
Max Panel Size | 571.5 × 609.6 mm | 571.5 × 1200 mm | Manufacturing capability |
Surface Finish | HASL bleifrei, OSP, ENIG | ENEPIG, Immersionsilber, TIM-Vorapplikation | IPC-4552/4556 |
Quality Testing | E-Test, thermische Belastung | Thermische Zyklen, IR-Bildgebung, thermischer Widerstandstest | IPC-9252 |
Certifications | ISO 9001, UL, RoHS/REACH | IATF 16949, ISO 13485 | Industry standards |
Lead Time | 5–10 Tage (fünf bis zehn) | 3–5 Tage (drei bis fünf) beschleunigt | Production schedule |
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Layout-Regeln: Wärmeausbreitung, Durchkontaktierungen und Isolierung
Verwenden Sie Kupferflächen unter Wärmequellen und verbinden Sie diese mit dichten Durchkontaktierungsfeldern. Typische Wärmedurchkontaktierungsdichten liegen bei 50–100 Durchkontaktierungen/cm² (fünfzig bis einhundert pro Quadratzentimeter) mit Durchmessern von 0,30–0,50 mm und einer Teilung von 1,0–1,5 mm. Halten Sie empfindliche analoge/RF-Schaltungen mit thermischen Aussparungen isoliert und erwägen Sie Keramik-Submodule für RF-Leistungsverstärker – siehe Keramik-Leiterplatten.
Die Oberflächenqualität beeinflusst die TIM-Leistung: Abweichungen >50 μm (größer als fünfzig Mikrometer) über Pad-Felder können den Übergangswiderstand um 20–30% (zwanzig bis dreißig Prozent) erhöhen. Für Kostenschätzungen und Terminabwägungen lesen Sie unseren Montagekosten-Leitfaden.

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Prozessablauf: MCPCB und Keramik
MCPCB: Substratvorbereitung → Vakuumverpressung von keramikgefülltem Dielektrikum → Leiterbahnätzung → Durchkontaktierungsbohrung/-beschichtung (Kupferfüllung nach Bedarf) → Planarisierung → Endbearbeitung. Keramik DBC/DPC: Kupfer bei hoher Temperatur mit Keramik verbinden, dann strukturieren, bohren/lasern und beschichten. Qualitätsprüfpunkte umfassen Dielektrikumdickenkartierung, Lufteinschlussprüfung und Ra/Ebenheitsmessung. Mehr erfahren in den Artikeln Thermoschockprüfung und LED-Herstellung.
Wahl des richtigen Substrats
Aluminium-MCPCB: Ausgewogenes Kosten/Leistungs-Verhältnis für LEDs und mittlere Leistung.
Kupferkern: Beste Wärmeausbreitung und Leitfähigkeit (Basis ~380–400 W/m·K; dreihundertachtzig bis vierhundert), mit Gewichts-/Kostenabwägungen.
Aluminiumoxid (Al₂O₃): 18–25 W/m·K; AlN: 150–170 W/m·K (achtzehn bis fünfundzwanzig; einhundertfünfzig bis einhundertsiebzig) mit guter CTE-Anpassung.
Thermisches FR-4: 1.0–2.0 W/m·K Upgrade-Option ohne vollständige Neuentwicklung. Für gemischte Hochstrom-/Hochgeschwindigkeits-Backplanes siehe Backplane-Leiterplatten.

Thermische Charakterisierung & Zuverlässigkeit
Wir validieren Rth (Wärmewiderstand) gegenüber dem Design innerhalb von ±15% (plus/minus fünfzehn Prozent) mit kalibrierten Vorrichtungen; IR-Thermografie bestätigt gleichmäßige Wärmeverteilung. Zuverlässigkeitstests umfassen Leistungszyklen, 85 °C/85% RH Feuchtigkeitsbelastung und −40↔+125 °C (minus vierzig bis plus einhundertfünfundzwanzig) Temperaturwechsel mit Mikroschnitten nach Belastung – siehe IPC-Klasse 3 Fertigungsprüfungen.
LED, Stromwandlung und Telekommunikation
LED-Beleuchtung: Straßen-/Automobil-Lampen zielen oft auf <1 °C/W (weniger als ein Grad C pro Watt) Junction-to-Sink-Pfade mit Aluminium-MCPCB ab.
Stromwandlung: Motorantriebe, Wechselrichter und EV-Ladegeräte profitieren von kupfergefüllten Durchkontaktierungen und dicken Kupferebenen.
Telekom-RF: Keramiksubstrate unterstützen RF-Leistungsverstärker mit thermischer und dielektrischer Leistung. Für flexible Verbindungen in heißen Zonen kombinieren Sie Module mit Flex-Leiterplatten als Brücken.
Technische Absicherung & Zertifizierungen
Erfahrung: Volumen-LED- und Leistungsprogramme mit Aluminium/Kupfer-MCPCB und AlN-Keramik.
Expertise: hohlraumfreie Bonding, kupfergefüllte Durchkontaktierungen, Ebenheits-/Rauheitsmetrologie und SPC für Dielektrikumsdicke und Registrierung.
Autorität: IPC-6012 Klasse 2/3, IATF 16949, ISO 13485; auditbereite Dokumentation.
Vertrauenswürdigkeit: MES verbindet Lieferantenchargen, Serialisierung und thermische Testdaten; Chargenberichte verfügbar.
- Kontrollen: Dielektrikumsdicke ±10%, Ra ≤3 μm, Ebenheit ±25 μm
- Rückverfolgbarkeit: Chargencodes, Einheitsserialisierung, digitaler Begleitschein
- Validierung: Thermische Zyklen, IR-Bildgebung, Mikroschnitte
Häufig gestellte Fragen
MCPCB vs ceramic vs thermal FR-4: how should I choose?
How many thermal vias do I need under a power device?
Can thermal PCBs remove the need for a heat sink?
Which surface finish is best for thermal interfaces?
How do you verify thermal performance in production?
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