Isolierte Metallbasis-Leiterplatten: Wärmeleitplatinen für Hochleistungs- und hochzuverlässige Systeme

Isolierte Metallbasis-Leiterplatten – auch IMS-Leiterplatten oder Metallkern-Leiterplatten genannt – werden für Elektronikgeräte entwickelt, bei denen die Wärmedichte die wichtigste konstruktionsbedingte Einschränkung darstellt. Anstelle eines Glasfaserkerns verwenden IMS-Leiterplatten einen … Metallsockel (Aluminium oder Kupfer) gebunden an ein thermisch leitfähiges Dielektrikum, mit Kupferleitern an der Oberseite. Der Metallkern dient als interner Wärmeverteiler, der die Wärme von heißen Bauteilen ableitet und effizient an das Gehäuse oder den Kühlkörper verteilt.

Für Produkte, die laufen müssen kühl, kompakt und stabil über eine lange Lebensdauer, IMS ist oft das direkteste Upgrade vom Standard-FR-4.

1) IMS vs. FR-4 (Warum Metallplatinen wichtig sind)

2) Branchen, die wir mit IMS-Leiterplatten bedienen

Unterschiedliche Branchen stellen unterschiedliche Anforderungen an Wärmeentwicklung und Zuverlässigkeit. IMS-Leiterplatten werden in Ihren Kernmärkten häufig eingesetzt:

Luft- und Raumfahrt

• Wird in hochzuverlässigen Leistungsmodulen, Steuerelektronik und robusten Sensorsystemen eingesetzt.
• Prioritäten: Thermische Stabilität, Vibrationsfestigkeit, Langzeitstabilität, gleichmäßige Wärmeleitwege.

Halbleiter & Fortschrittliche Verpackung

• Trägerplatinen, Testmodule, Leistungsstufen in der Nähe von heißen Chips und temperaturempfindliche Geräte.
• Prioritäten: präzise Wärmewiderstandsregelung, Planheit für die Montage, stabile Isolierleistung.

Medizinische Elektronik

• Kompakte Geräte mit strengen Temperaturfenstern wie Bildgebungsmodule, Therapiegeräte und tragbare Diagnosegeräte.
• Prioritäten: niedrige Hotspot-Temperatur, sichere Isolationsintegrität, stabile Leistung über mehrere Betriebszyklen hinweg..

Künstliche Intelligenz / Hochleistungsrechnen

• Leistungsdichte Beschleunigersysteme, Rechenracks und Edge-KI-Module, bei denen die Wärme den Durchsatz begrenzt.
• Prioritäten: Hohe Wärmestromdichte, Strombelastbarkeit, zuverlässiges Temperaturwechselverhalten.

Automobilelektronik

• BMS, Motortreiber, ECU-Leistungsstufen, Beleuchtung und ADAS-Leistungskomponenten.
• Prioritäten: Beständigkeit gegenüber Temperaturwechseln, Stoß-/Vibrationsstabilität, gleichbleibende Ausbeute in der Massenproduktion.

Industrielle Steuerung und Automatisierung

• Servoantriebe, Schweißsysteme, Bremswiderstände, Wechselrichtersteuerungen und Stromversorgungsplatinen für raue Umgebungen.
• Prioritäten: Kontinuierliche Betriebssicherheit, Wärmeableitung in abgedichteten Gehäusen, robuste mechanische Basis.

Kommunikation & Netzwerke

• HF-Leistungsstufen, Basisstationsmodule, Hochstrom-Gleichstromversorgungen und leistungsstarke Telekommunikations-Leistungseinheiten.
• Prioritäten: stabiles thermisches Verhalten unter Dauerlast, kompakte Wärmeleitwege, vorhersagbare Passgenauigkeit.

3) IMS-Stack-Up (Einfache Struktur, große thermische Gewinne)

Eine IMS-Leiterplatte besteht typischerweise aus drei Funktionsschichten:

1. Kupferleiterschicht
   Leitet Strom und verteilt Wärme seitlich. Dickeres Kupfer verbessert die Strombelastbarkeit und die Wärmeverteilung.
2. Thermische dielektrische (Isolier-)Schicht
   Es isoliert Kupfer elektrisch vom Metall und leitet gleichzeitig Wärme nach unten ab. Wärmeleitfähigkeit und Dicke dominierender Wärmewiderstand.
3. Metallbasisschicht
   Sorgt für Steifigkeit und schnelle Wärmeableitung an Gehäuse/Kühlkörper. Aluminium bietet ein ausgewogenes Verhältnis von Kosten und Leistung; Kupfer ermöglicht extrem hohe Wärmeströme.

4) Auswahl der Kernmaterialien (Wie man sie auswählt)

Aluminiumkern

• Am besten geeignet für die meisten Hochleistungsanwendungen, einschließlich LED-Systeme und Kfz-/Industrie-Leistungsplatinen.
• Leicht, kostengünstig, hervorragende Wärmeverteilung für gängige Anforderungen.

Kupferkern

• Ausgewählt für Ausrüstung in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, KI/HPC und Halbleitertechnik, wo Die thermische Reserve ist sehr gering.
• Höhere Wärmeleitfähigkeit und Steifigkeit, typischerweise höhere Kosten.

Auswahltipp:
Beginnen Sie mit Verlustleistung + zulässige Sperrschichttemperatur + Montageansatz. Das Kernmaterial sollte den thermischen Zielwerten entsprechen.

5) Was bei der IMS-Fertigung am wichtigsten ist (Branchenfokus)

Eine gute IMS-Leiterplatte besteht nicht nur aus “Metall + Isolierung”. Zuverlässigkeit in allen Branchen hängt von der durchgängigen Kontrolle folgender Faktoren ab:

• Thermische dielektrische Stabilität
  Gleichmäßige Haftung und Dickenkonsistenz für einen vorhersehbaren Wärmefluss.
• Kupfer-Dielektrikum-Haftung
  Verhindert Delamination bei Temperaturwechselbeanspruchung (entscheidend für die Automobil-, KI-, Industrie- und Luft- und Raumfahrtindustrie).
• Wärme- und Strom-Kupfertechnik
  Kupferverteiler sind so ausgelegt, dass sie Lasten aufnehmen und Wärme ohne Engpässe verteilen können.
• Präzisionsmechanische Bearbeitung
  Saubere Kabelführung, Senkbohrungen, Schlitze und Befestigungslöcher für einen festen Sitz von Gehäuse und Kühlkörper.
• Montagekompatible Oberflächenbeschaffenheit
  Ausgewählt, um Ihren Lötprozess und Ihre Zuverlässigkeitserwartungen zu erfüllen.
• Validierung der thermischen Zuverlässigkeit
  Prüfung auf Temperaturwechselbeanspruchung, Lötbarkeitsdrift und Verlust der Isolationsintegrität.

6) Thermische DFM-Tipps zur Verbesserung von Leistung und Ausbeute

1. Die Wahl des Dielektrikums bestimmt den tatsächlichen Wärmewiderstand.
   Wenn Hotspots die Lebensdauer begrenzen, ist die Anpassung der dielektrischen Güteklasse und Dicke die schnellste Lösung.
2. Kupfergewicht ist ein thermischer und elektrischer Hebel
   Verwenden Sie dickere Kupferleiter für Leistungshalbleiter und Hochstrompfade; vermeiden Sie eine Überdimensionierung der gesamten Platine.
3. Die Wärme muss sauber von der Platine abgeführt werden.
   Ebenheit, Schraubendrehmoment, Wärmeleitpad-Typ und Gehäusekontaktpunkte frühzeitig festlegen.
4. Vermeiden Sie enge thermische Engpässe.
   Sorgen Sie für durchgehende Kupferleitungen unter heißen Bauteilen; kleine Kontaktflächen und dünne Leiterbahnen führen zu Wärmestau.
5. Mechanische Merkmale des Schlosses früh
   Ausschnitte, Senkungen und spezielle Konturen beeinflussen den Bearbeitungsablauf und die Kosten.

7) Wichtigste Kostentreiber (Was beeinflusst den Preis schnell?)

• Auswahl zwischen Aluminium- und Kupferkern
• Auswahl der thermischen dielektrischen Güteklasse
• Kupfergewicht und etwaige Bereiche mit hohem Kupfergehalt
• Komplexität des Umrisses und spezielle Bearbeitung
• Oberflächenbeschaffenheit
• Ein-/zweilagiges IMS vs. mehrlagiges IMS

Eine gezielte DFM-Überprüfung reduziert häufig die Kosten, ohne die thermischen Ziele zu beeinträchtigen.

8) Checkliste für Angebotsanfragen (Bitte senden Sie diese für ein schnelles und präzises Angebot)

Sind Sie bereit, Ihr System hitzebeständig zu machen?

IMS-Platinen sind eine bewährte Methode, um die Leistungsdichte zu erhöhen und gleichzeitig die Geräte über lange Betriebszyklen hinweg kühl, kompakt und stabil zu halten. Wenn Ihre Anwendung in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, KI-Computing, Fahrzeugelektronik, Halbleitertechnik, Medizintechnik, Industrieantriebe oder Kommunikationshardware angesiedelt ist, senden Sie uns Ihre Anfrage. Gerber + Wärmebildziele (Verlustleistung und zulässiger Temperaturbereich). Wir senden Ihnen eine kurze thermische DFM-Analyse und ein praxisorientiertes Angebot, das auf Ihre konkreten Anforderungen an das Wärmemanagement zugeschnitten ist.