IMS PCB: Hochtemperaturbeständiges Substrat für zuverlässige Leistung

Entwerfen Sie eine PCB und wissen nicht, welches Substrat Sie verwenden sollen? Unbestreitbar bilden Substrate einen wesentlichen Teil der PCB-Fertigung. Der erste Schritt zur Erstellung einer hochwertigen PCB ist die Wahl eines geeigneten Substrats. Tatsächlich ist FR-4 ein gängigeres Substrat für die PCB-Fertigung und kostengünstig. Wir stellen Ihnen jedoch einen weiteren Substrattyp vor: IMS PCB.

In diesem Artikel erfahren Sie alles über IMS PCB und wie es sich zum gängigeren FR-4 PCB verhält.

Sind Sie bereit? Dann legen wir los!

Was ist ein IMS PCB?

Der Begriff IMS steht für "Insulated Metal Substrate" (isolierter Metallsubstrat). IMS PCBs verfügen über metallische Trägerplatten, die durch eine dielektrische Schicht getrennt sind. Zudem erzeugen die Kupferleiter der Schaltung diese dielektrische Schicht.

Interessanterweise dient die dielektrische Schicht dazu, Wärme zum Metallsubstrat zu leiten. Mit anderen Worten: Das Metallsubstrat wirkt wie ein Kühlkörper (Heat Sink), der überschüssige Wärme von der Schaltung aufnimmt. Außerdem bietet das Metallsubstrat eine stabile Struktur für die PCB.

Zusätzlich besitzen dielektrische Schichten einzigartige Wärmeableitungseigenschaften. So können sie Spannungen durch hohe Voltages standhalten. Daher finden Sie IMS PCBs in Schaltungen mit starker Wärmeentwicklung.

Die Vorteile von IMS PCBs

FR4 PCBs bieten IMS PCBs harte Konkurrenz. Dieser Abschnitt zeigt Ihnen jedoch, wie gut der IMS seiner Konkurrenz standhält. Hier sind die Vorteile der Verwendung von IMS PCBs.

Strukturelle Unterstützung

Dicke Metallsubstrate sind robust und bieten bessere strukturelle Unterstützung für Schaltungen. Sie dienen auch als Hauptstruktur für verschiedene Anwendungen.

Elektromagnetischer Schutz

Metallsubstrate bieten auch elektromagnetische Abschirmung. Daher können Sie IMS als aktive Masseebene (Active Ground Plane) Ihrer Schaltung nutzen. Zweifellos reduziert diese aktive Masseebene die benötigten Kupferleiterbahnen Ihrer Schaltung und senkt damit die Fertigungskosten.

Erhöhte thermische Leitfähigkeit

Metalle sind gute Wärmeleiter, daher ist es logisch, dass IMS eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist. IMS PCBs erreichen thermische Leitfähigkeiten von bis zu 12 W/(m·K) und eine maximale Metaldicke von 3,2 mm.

Aber das ist noch nicht alles. Designer und Hersteller können diese erhöhte thermische Leitfähigkeit nutzen und mehrere wärmeableitende Bauteile in IMS PCBs integrieren. Als Ergebnis erhalten Sie insgesamt eine bessere Kompaktheit.

Feuerbeständigkeit

Normale Brände und Hitze aus Schaltungen können Metall nicht zerstören. Da IMS PCBs Metallsubstrate verwenden, verfügen sie über eine höhere Feuerbeständigkeit als Standard-PCBs.

Daher sind IMS PCBs bessere Optionen für Hochleistungsschaltungen oder Anwendungen, insbesondere wenn die Schaltung in einer Hochtemperaturumgebung betrieben wird.

SMD (Surface-Mount Device) Kompatibel

IMS PCBs sind mit Surface-Mount-Devices kompatibel. Warum? Weil IMS PCBs eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzen. So können sie die von SMD-Bauteilen erzeugte Wärme aufnehmen und ableiten, um Schäden zu vermeiden.

IMS vs. FR4

IMS und FR4 sind hervorragende Substrate mit großartigen Vorteilen. Sie müssen jedoch die Unterschiede zwischen diesen Substraten verstehen, um zu wissen, welches zu Ihrer Anwendung passt.

Hier sind die Unterschiede zwischen IMS und FR4.

Bauteile

FR4 PCBs erlauben die Bestückung von Durchsteckbauteilen (Through-Hole). Diese PCBs müssen jedoch einlagig sein. Im Gegensatz dazu erlauben einlagige IMS PCBs keine Durchsteckbauteile.

Thermische Leitfähigkeit

IMS PCBs bieten erhöhte thermische Leitfähigkeit und können wärmeintensivere Anwendungen handhaben. Während FR4 PCBs ebenfalls thermische Leitfähigkeit bieten, können sie nicht mit IMS PCBs mithalten.

Lötstoppmasken-Farben

Sie werden feststellen, dass IMS PCBs ausschließlich weiße Lötstoppmasken aufweisen. Im Gegensatz dazu haben FR4 PCBs drei Lötstoppmasken-Farbern: Bernstein, Grün und Schwarz.

Fertigungsprozess

Der Fertigungsprozess für IMS PCBs ist ziemlich komplex und erfordert spezielle Werkzeuge. Beispielsweise benötigen Hersteller diamantbeschichtete Sägeblätter, um das Metallsubstratmaterial zu schneiden.

FR4 PCBs hingegen haben weniger komplexe Fertigungsprozesse, und Sie können Standardbearbeitungswerkzeuge verwenden.

Anzahl der Lagen

Sie können FR4 PCBs mehrere Kupferlagen hinzufügen. Im Gegensatz dazu haben die meisten IMS PCBs nur eine Lage.

Tatsächlich sehen Sie nicht viele mehrlagige IMS PCBs aufgrund ihres komplexen Fertigungsprozesses.

Dickenbegrenzung

Da es keine Begrenzung für die Anzahl der Lagen gibt, die Sie einem FR4 PCB hinzufügen können, gibt es auch keine Begrenzung für deren Dicke.

IMS PCBs hingegen können nicht zu dick sein. Andernfalls verliert die PCB die meisten ihrer Vorteile, wenn die Dicke das Limit überschreitet.

Anwendungen von IMS Boards

Sie können IMS Boards für verschiedene Anwendungen nutzen. Einige davon umfassen:

Leistungselektronik

Leistungselektronische Schaltungen verfügen über Schaltbauelemente. Diese Funktion erzeugt jedoch viel Wärme, die bei unkontrolliertem Auftreten schwere Schäden an der Schaltung verursachen kann.

IMS Boards verfügen über hohe Wärmeableitungsfähigkeiten, was sie zur ersten Wahl für leistungselektronische Schaltungen macht. Zudem müssen Sie nicht an jedem Bauteil Kühlkörper installieren, was kompaktere Designs ermöglicht.

LED-Technologie

IMS Boards sind perfekte Partner für LED-Technologie. Obwohl LED-Schaltungen energieeffizient und kompakt sind, können sie hohe Wärme erzeugen.

Daher ist die Erstellung dieser Schaltungen mit einem IMS Board die beste Option. Schließlich absorbiert und dissipiert ein IMS Board Wärme effizient.

Halbleiterrelais (Solid State Relays)

Eine weitere Anwendung, die die thermische Leitfähigkeit des IMS Boards hervorragend nutzt, ist das Halbleiterrelais (SSR). SSRs sind modernisierte Versionen mechanischer Relais und verfügen oft über Optokoppler-Treiberschaltungen und Leistungsschaltbauelemente.

Zudem haben SSRs kompakte Designs, die die Wärmeerzeugung reduzieren. Dennoch funktionieren IMS PCBs in dieser Anwendung, da sie Wärme aufnehmen und in das kleine Gehäuse ableiten.

Automobilindustrie

Fortgeschrittene Fahrzeuge verfügen über mehrere Steuergeräte-Schaltungen. Diese Schaltungen befinden sich entweder in der Nähe oder im Motor solcher Fahrzeuge. Daher arbeiten diese Schaltungen natürlich unter hohen Temperaturen.

Aus diesem Grund sind IMS PCBs hervorragende Optionen. Kurz gesagt: Diese Boards bieten die notwendigen mechanischen Eigenschaften und thermische Leitfähigkeit für diese Anwendungen.

Verschiedene Arten von IMS Boards

Wir haben verschiedene Arten von IMS Boards gemäß drei Kategorien: Art des Metallsubstrats, PCB-Lage und Bauteilmontageposition.

Art der Metallsubstrate

Wir haben drei Arten von IMS Boards je nach Metallsubstrat.

Kupfer-Metallsubstrat PCB

Kupfer-Substrat-PCBs sind ziemlich selten und teuer. Sie eignen sich für Anwendungen, die exzellente elektrische und thermische Leitfähigkeit erfordern. Zwar bietet Kupfer das beste Substratmaterial, es ist jedoch nicht immun gegen Korrosion.

Aluminium-Metallsubstrat PCB

Aluminium-Substratmaterialien sind gängiger und erschwinglicher. Sie bieten jedoch nur standardmäßige elektrische Eigenschaften und thermische Leitfähigkeit.

Edelstahl-Metallsubstrat PCB

Edelstahl-Substratmaterialien sind günstiger als Kupfer- und Aluminiumsubstrate. Zweifellos können diese Substratmaterialien keine exzellente thermische und elektrische Leistung liefern. Sie bieten jedoch ausgezeichnete mechanische Festigkeit.

PCB-Lage und Bauteilmontageposition

Wir haben vier Arten von IMS PCBs gemäß Bauteilmontageposition und PCB-Lage.

Beidseitige Bauteilmontage IMS PCBs (Dual Component Mounting Side)

IMS PCBs mit diesem Design verfügen über zwei Lötstoppmaskenlagen. Interessanterweise können diese Lötstoppmaskenlagen unterschiedliche Bauteile aufnehmen.

Zudem verfügt das Design über das Metallsubstrat in der Mitte und Vias – für Strom- und Wärmeübertragung. Zusätzlich umgibt Harzmaterial die Vias und bietet Isolierung.

IMS PCBs mit diesem Design bieten erhöhte mechanische Leistung und ordentliche Heat-Sink-Fähigkeiten. Solche Designs können jedoch nur komplexe Schaltungen erstellen.

Einseitiger Metallkern IMS PCBs (Single-Sided Metal Core)

IMS PCBs mit diesem Design verfügen über nur eine Lötstoppmaskenlage. Zudem bietet es eine Kupferlage und ein Metallsubstrat am Boden.

Diese Designs eignen sich hervorragend für einfache Schaltungen wie LEDs oder SSRs. Auch das Metallsubstrat am Boden fungiert als Kühlkörper.

Mehrlagige beidseitige Bauteilmontage IMS PCBs (Multilayer Dual Component-Mounting Side)

Der mehrlagige IMS PCB-Aufbau ist ziemlich komplex. So gibt es zwei doppelte Lötstoppmasken für die Bauteilmontage und mehrere Kupferlagen auf beiden Seiten des mittleren Metallsubstrats.

Sie können solche IMS PCBs für komplexe Schaltungen wie SBCs (Single Board Computers) nutzen. Das Metallsubstrat ist der Kühlkörper, der thermische Leitfähigkeit bietet.

Zwei Lagen mit einseitiger Bauteilmontage IMS PCBs

Dieses Design hat zwei Kupferlagen mit einer FR4-Lage dazwischen. Diese Designs ermöglichen die Integration komplexerer Schaltungen und reduzieren die thermische Leitfähigkeit.

Zwar ist die Reduktion der thermischen Leitfähigkeit nicht so groß, doch das Design nutzt wärmeübertragende Vias als Kompensation. Diese Vias können den Boden von SMD-Bauteilen berühren und Wärme zum Substrat am Boden leiten.

IMS PCB Hersteller

WellPCB ist ein fortschrittlicher PCB-Hersteller, der eine breite Palette an Materialoptionen für die PCB-Fertigung anbietet, einschließlich Metallbasierter PCBs.

WellPCB gewährleistet zudem hohe Qualitätskontrolle mit einem Montageprozess-Review. Sie können also sicher sein, dass Sie Produkte und Dienstleistungen höchster Qualität zu den besten Preisen erhalten.

Zusammenfassung

IMS PCBs bieten verschiedene Vorteile, die sie für unterschiedliche Anwendungen großartig machen. Zudem verfügen sie über ausgezeichnete Hitzebeständigkeit und können Wärme effizient ableiten. Selbst das niedrigste Metallsubstratmaterial hat eine bessere thermische Leitfähigkeit als die meisten Substratmaterialien.

IMS PCBs bieten auch mechanische Leistung und stabile Strukturen für Ihre Schaltungen. Zudem können Sie eine breite Palette an Surface-Mounted-Devices mit einem IMS PCB verwenden.

Zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren, wenn Sie ein IMS PCB benötigen!