Dipl.-Ing. Martin Sachs, DB Electronic Daniel Böck GmbH

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1 Dipl.-Ing. Martin Sachs, DB Electronic Daniel Böck GmbH Heatsink-Leiterplatten für Power-LED-Anwendungen Durch den immer größer werdenden Einsatzbereich der High-Power-LED s, gerade im Bereich der Beleuchtungstechnik, muss man sich auch mit dem Problem der Wärmeableitung beschäftigen. Der Vortrag der Firma db electronic Daniel Böck GmbH soll dazu einen kleinen Überblick über die Möglichkeiten der Wärmeableitung, Materialien, Design-Rules bis hin zu konkreten Beispielen geben. Wärmeableitung auf Leiterplatten Neben den Möglichkeiten der Wärmeableitung mittels Kühlkörpern, die nach der Bestückung seitens des Endkunden oder des Bestückers angebracht werden, gibt es diverse Verfahren, die bereits der Leiterplattenhersteller anbieten kann: Wärmeleitpaste o 1-Komponentenpaste o Auftrag im Siebdruckverfahren o Dicke ca. 100 bis 500 µm o Anwendungsbereich im Zusammenwirken mit Thermalvias o Wärmeleitfähigkeit ca. 2 W/mK o Vorteil: kostengünstig o Nachteil: benötigt Platz auf der Leiterplatte Dickkupferleiterplatten o Kupferstärken ab 105 µm o Überwiegend Leistungselektronik mit hohen Strömen o Wärmeleitfähigkeit Cu ca. 400 W/mK o Vorteil: sehr gute Wärmeleitfähigkeit o Nachteil: keine Fein- oder Feinstleiterstrukturen möglich Insulated Metal Substrate (IMS) Insulated Metal Substrate (IMS) Folgende zwei Begriffe werden im Zusammenhang mit Wärmeableitung und Leiterplatten immer wieder genannt: die Wärmeleitfähigkeit und der Thermische Widerstand. Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt, wie gut ein Stoff Wärme (Energie) transportieren kann und ist abhängig von der Dichte der energieübertragenden Moleküle. Dieser Wert ist stoffbezogen. Wärmeleitfähigkeit typischer Stoffe in der Leiterplattenfertigung: FR4 ~ 0,2 W/mK Luft ~ 0,02 W/mK Aluminium ~ 220 W/mK Kupfer ~ 400 W/mK spez. Prepregs >= 1 W/mK Bei einer Wärmeleitfähigkeit von unter 0,8 W/mK spricht man auch von Isolatoren. Man kann also keinen wirklichen Wärmeleitwert einer Leiterplatte angeben, da es sich hier um eine Kombination verschiedener Stoffe handelt. Für eine Aussage

2 bezüglich der Qualität der Wärmeableitung wird der Thermische Widerstand herangezogen. Dieser berechnet sich aus der Schichtdicke des Materials, der Kontaktfläche sowie der Wärmeleitfähigkeit. Rth=Schichtdicke/(λ x A) So kann für jeden Stoff der Thermische Widerstand berechnet werden. Der Gesamtwiderstand einer IMS-Leiterplatte wird wie eine Reihenschaltung von Widerständen berechnet: Rthgesamt = RthCu + RthPrepreg + RthSubstrat + Daraus folgt: je dünner das Material und je besser die Wärmeleitfähigkeit eines Stoffes, desto niedriger wird der Thermische Widerstand. Wärmeableitung mittels Metallkern Bei Metall- oder Metallkernleiterplatten wird statt des üblichen Basismaterials ein massiver Aluminium- oder Kupferträger verwendet. Auf diesen Metallkern werden mittels Prepregs die Kupferfolien auflaminiert. Das Metallsubstrat ist also ein fester Bestandteil der Leiterplatte (Bild 1 und Bild 2). Bild 1: Aufbau IMS-Leiterplatte 1-seitig Bild 2: Schliffbild

3 Realisierungsmöglichkeiten Folgende Ausführungen sind möglich: 1-seitig mit NDK-Bohrungen 2-seitig mit NDK- und DK-Bohrungen Multilayer Starrflex Designrichtlinien Die folgenden Parameter sollten beim Design einer Metallkernschaltung berücksichtigt werden (Bild3 und Bild4): Dicke Metallkern dkern = 0,5 2,0 mm Dicke Kupfer dcu = µm Dicke Prepreg disolation ~ 0,06-0,150 mm* kleinste Bohrung LP (DK) ddk >= 0,3 mm** kleinste Bohrung LP (NDK) dndk >= 1,0 mm** kleinste Bohrung Alu dmin >= 1,0 mm** Abstand Bohrung Bohrung (DK): a >= 1,2 mm** min. Fräser: df >= 1,6 mm** Lötstopplacke: grün, weiß, schwarz Oberflächen: HAL, HAL bleifrei, OSP, chem. Ni/Au, chem. Sn*** * die Dicke des Prepregs ist abhängig von der Größe der Vias (bei 2-seitigen IMS- Leiterplatten), die verfüllt werden müssen ** abhängig von der Dicke des Metallkerns *** chem. Sn ist als Oberfläche grundsätzlich nicht empfehlenswert Bild 3: Schematischer Aufbau Metallkern 1-seitig

4 Bild 4: Schematischer Aufbau Metallkern 2-seitig Beispiele Beispiele von Metallkernleiterplatten verschiedener Ausführungen ziegen die folgenden Bilder. Beispiel 1: Metallkern 1-seitig Star -Leiterplatte Layout: Beispiel 2 und 3: Metallkern 1-seitig als Leiterplatte und im fertigen Produkt

5 Beispiel 4: Ausschnitt Metallkern 2-seitig Bild 4.1: Schliffbild 2-seitige Alukernleiterplatte Bild 4.2: Schliffbild 2-seitige Alukernleiterplatte, Via Für eine zuverlässigere Durchkontaktierung kann der Metallträger nach dem Bohren auch mittles Pluggingpaste statt mit dem Harzüberschuss der Prepregs wieder verschlossen werden.

6 Wärmeableitung mittels Metallträger Bei der Wärmeableitung mittels eines Metallträgers durchlaufen die Leiterplatten zuerst den normalen Fertigungsprozess. Die fertige Leiterplatte wird anschließend mittels Prepregs mit dem Metallträger verpresst. Der Metallträger wird somit zu einem festen Bestandteil der Leiterplatte (Bild 5 und Bild 6). Bild 5: Aufbau Metallträgerleiterplatte Bild 6: Schliffbild Realisierungsmöglichkeiten Folgende Ausführungen sind möglich: 1-seitig mit NDK-Bohrungen (nicht sinnvoll) 2-seitig mit NDK- und DK-Bohrungen Multilayer Starrflex Unterschiedliche Kontur Leiterplatte Träger möglich Designrichtlinien Die folgenden Parameter sollten beim Design einer Metallträgerschaltung berücksichtigt werden (Bild7): Dicke Metallträger dträger = 0,5 2,0 mm Dicke Kupfer dcu = µm Dicke Prepreg disolation ~ 0,06-0,150 mm Dicke Leiterplatte dfr4 möglichst dünn (0,1-0,3 mm) kleinste Bohrung Alu dmin >= 1,0 mm* min. Fräser df >= 1,6 mm* Lötstopplacke: alle Farben Oberflächen: alle Oberflächen * abhängig von der Dicke des Metallträgers Für eine bessere Wärmeabfuhr kann statt FR4 auch ein Basismaterial mit höherer Wärmeleitfähigkeit verwendet werden.

7 Bild 7: Schematischer Aufbau Metallträger Beispiele Metallträger Leiterplatte Endprodukt Bild 5: Ausschnitt einer Metallträgerleiterplatte mit unterschiedlichen Konturen Bei unterschiedlicher Kontur Leiterplatte - Träger muss der Träger an mindestens 2 Seiten überstehen, da sonst keine exakte Positionierung der Leiterplatte möglich ist (Bild 8.1 und Bild 8.2). Bild 8.1: richtige Positionierung Bild 8.2: falsche Positionierung

8 Anwendungsbereiche für IMS-Leiterplatten High-Power LED s Leistungswandler Steuerungen Endbetrachtungen Zum Schluss ein paar Hinweise zu Kostentreibern, Materialien sowie Vor- und Nachteilen dieser Verfahren. Kostentreiber Dicke des Metallkerns- bzw. Trägers (Rohstoffpreise) Kupferstärke (Rohstoffpreise) Anzahl der Bohrungen (Werkzeugverschleiß) Anzahl Ritze, Fräswege (Werkzeugverschleiß) Einsetzbare Materialien Metallkern- Metallträgerleiterplatten mit FR4-Prepregs Metallkern- Metallträgerleiterplatten mit Prepregs >= 1 W/mK Leiterplatten mit Berquist Thermal Clad (nur einseitige Leiterplatten) Vor- und Nachteile von IMS-Leiterplatten + Fester Verbund von Leiterplatte und Metallsubstrat + Gutes Wärmemanagement + Unterschiedliche Kontur von Leiterplatte und Träger möglich + Hohe mechanische Stabilität + Keine weiteren Maßnahmen bezügl. Wärmemanagement nötig - Eingeschränkte Packungsdichte - Bei Metallträgerleiterplatten nur 1-seitige SMD-Bestückung - Kostenintensiv - Hohes Gewicht - Entspr. Kenntnisse für die Bestückung notwendig (Tempern/Vorheizung) Allgemeine Hinweise Wärmeleitfähigkeit und Thermischer Widerstand: Der Thermische Widerstand wird besser, je weniger Harz verwendet wird. Um den Widerstand zu verringern und um die Leitfähigkeit zu verbessern werden entspr. Füllstoffe eingebracht. Diese Werte werden allerdings mit einer schlechteren Haftung erkauft. Je weniger Harz, desto schlechter die Haftung. Gerade das kann aber bei bleifreien Lötprozessen zu Problemen führen. Hier sollte ein vernünftiger Kompromiss erzielt werden. Hinweis zu Kupferdicken Es empfiehlt sich, bei Metallkernleiterplatten eine Kupferstärke von min. 70 µm zu verwenden. Die entstehende Wärme kann sich somit besser horizontal ausbreiten und trägt zu einer besseren Entwärmung des Bauteils über die Leiterplatte bei. Info: