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1 Webinar am 2. Februar 2016 Referent: Bert Heinz Seite

2 2. Februar 2016 I Uhr Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt Motorsteuerung, Stromumwandlung und LED-Technik Anwendungen, bei denen es heiß hergeht. Gerade hier ist es unabdingbar, eine Entwärmung der Bauteile zu gewährleisten, um somit die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Eine mögliche Lösung ist der Einsatz von IMS-Leiterplatten. In diesem Webinar zeigen wir Ihnen: Grundlagen und Designparameter Welche Materialien können eingesetzt werden Wie können Sie mittels thermischer das PCB-Layout optimal gestalten Seite

3 Grundlagen Wärmemanagement Treiber für immer effektivere Wärmemanagementkonzepte Weitere Miniaturisierung Bauelemente Immer leistungsstärkere Bauelemente Wärmeverlustleistung pro Flächeneinheit steigt Ansteigende Taktfrequenzen, höhere Packungsdichten Montage bestückter Leiterplatten an warme Aggregate und Maschinenteile oder in hermetisch dichte Gehäuse Bedarf an Schaltungsträgern mit sorgfältig geplanten thermischen Management steigt stetig Leiterplatte spielt bei der Erarbeitung eines effizienten Wärmemanagementkonzeptes eine wichtige Rolle Seite

4 Grundlagen Wärmemanagement Zur Lösung thermischer Probleme Gesamtes System aus Bauelement, Schaltungsträger, Montage, Gehäuse und Umgebung untersuchen Wärme kann nicht vernichtet werden Es gibt nur die Möglichkeit sie vom heißen Bauelement abzuleiten Konstruktionen zur Entwärmung richten sich nach unterschiedlichen Anforderungen der Baugruppe Menge der abzuführenden Wärme Verfügbarer Platz / Abmessungen der Bauelemente Kontaktierungsart der Bauelemente Komplexität der Schaltung Entwärmungskonzepte müssen vorgegebene Anforderungen erfüllen Ausreichende Zuverlässigkeit der Baugruppe garantieren Bestimmte Kostenaspekte berücksichtigen Seite

5 Grundlagen Wärmemanagement Arten der Wärmeleitung Konduktion: Konvektion: Weitergabe von Wärmeenergie durch in der Regel feste Körper Wärmeübertragung durch Gase und Flüssigkeiten Strahlung: Emission von Photonen Seite

6 Grundlagen Wärmemanagement Wärmequellen: Leistungsbauteile, Anordnung Wärmesenke: Wo kann / wo soll die Wärme hinfließen? Wie ist der Wärmepfad dorthin? Welche thermischen Widerstände sind auf diesem Pfad? Bessere Verteilung und / oder Ableitung der Wärme Leiterplatte ohne Wärmemanagement PROBLEM KONZEPT ERGEBNIS Leiterplatte mit erfolgreichen Wärmemanagement Seite

7 Einsatzmöglichkeiten Vielfältige Einsatzmöglichkeiten LED Technik Leuchtschilder, Display, Beleuchtung Automobilindustrie LED Scheinwerfer, Motorsteuerung, Servolenkung Leistungselektronik Gleichstromversorgung, Wechselrichter, Motorsteuerung Schalter und Halbleiterrelais Seite

8 Aufbau Aluminiumträger Isolationsschicht Kupferkaschierung Typischer Aufbau Kupferfolie Isolationsschicht In der Regel aus Prepreg oder thermisch leitenden Harzsystemen Metallträger In der Regel aus Aluminium, Kupfer oder Edelstahl Als fertiges Substrat erhältlich oder individuell aus den einzelnen Komponenten aufgebaut Seite

9 Aufbau Wärmequelle Kupferfolie Aluminiumträger Isolationsschicht Polymer / Keramik Isolationsschicht aus Polymeren und einem hohen Teil thermisch gut leitfähiger Keramikbestandteilen Dadurch eine bis zu 5 mal bessere Wärmeleitfähigkeit als normales Prepreg Gleichzeitig nimmt die Durchschlagsfestigkeit gegenüber Standard FR4 Material zu

10 Herstellung Rohmaterial auswählen, Aluminium oder Kupfer, in seltenen Fällen auch Edelstahl Material vorreinigen und bürsten Aluminium anrauen und mit dem gewünschten Dielektrikum und Kupferfolie verpressen Um das Aluminium vor Kratzern und Chemie ( sauer oder alkalisch Ätzen ) zu schützen, werden die Panel mit einer Schutzfolie überzogen Film aufgebringen und das Layout belichten, danach ätzen Aufbringung der Lötstoppmaske Bohren der NDK Bohrung, mechanischen Endbearbeitung, Kerben, Fräsen oder Stanzen Endoberfläche (ENIG, HAL, OSP ) aufbringen E-Test, Endkontrolle, Versand Seite

11 Design Parameter Hersteller Bergquist; Laird; Arlon; DENKA; Ventec; KinWong Trägermaterial Aluminium; Kupfer; Edelstahl Aluminium: 1100H14, 5052H34, 6061T6 Metalltyp Kupfer: C1100, C1220 Edelstahl: SUS430 Normal: 600*457 mm Panelgröße Maximal: 1200*550 mm Leiterplattendicke 0,4-3,2 mm Toleranz Leiterplattendicke +/- 0,10 mm Standard Metall Dicke 0,3mm; 0,4mm; 0,5mm; 0,6mm; 0,8mm; 1,0mm; 1,2mm; 1,5mm; 2,0mm; 2,5mm; 3,0mm Isolationsschicht Dicke 0,05 ~ 0,20 mm Wärmeleitwert 1 W/mK ~ 8 W/mK Durchschlagsfestigkeit 6 kv AC Kupferdicke 18 µm; 35 µm; 70 µm; 105 µm

12 Design Parameter Leiterbahnbreite >=150 µm Leiterbahn Leiterbahnabstand >=150 µm Enddurchmesser 0,5 mm ~ 6 mm Bohrungstoleranz +/- 0,075 mm Bohrmaße Positionstoleranz Bohrung +/- 0,10 mm Aspect Ratio 5 : 2 Lötstoppmaskensteg >=100 µm Lötstoppmaskenfreistellung >=50 µm Lötstoppmaske Viafreistellung >=100µm Leiterbahnabdeckung 50 µm Toleranz Außenkontur +/- 0,10 mm Außenkontur max. Außenmaße Länge: 1200 mm Breite: 530 mm Endoberfläche HAL; LF-Hal; OSP; ENIG; Imersion Silver; Immersion Tin; ENEPIG Seite

13 Leiterplatte Größe 42 x 42 mm Verlustleistung LED 3W Umgebungstemperatur 20 C Leiterplatte senkrecht freistehend im Labor Wärmeübertragung zur Luft 12 W/m²K Seite

14 Variante 1 Kupfer Lage: 35 µm Dielektrikum: 100 µm /1,3 W/mK Aluminium: 1,5 mm Layout Seite

15 Variante 1 Seite

16 Variante 2 Kupfer Lage: 35 µm Dielektrikum: 100 µm / 1,3 W/mK Aluminium: 1,5 mm verbessertes Layout Seite

17 Variante 2 Seite

18 Variante 3 Kupfer Lage: 35 µm Dielektrikum: 100 µm / 2,2 W/mK Aluminium: 1,5 mm verbessertes Layout Seite

19 Variante 3 Seite

20 Variante 4 Kupfer Lage: 105 µm Dielektrikum: 100 µm / 2,2 W/mK Aluminium: 1,5 mm verbessertes Layout Seite

21 Variante 4 Seite

22 Variante 5 Kupfer Lage: 105 µm Dielektrikum: 100 µm / 3,0 W/mK Aluminium: 1,5 mm verbessertes Layout Seite

23 Variante 5 Seite

24 Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4 Variante 5 Seite

25 Variante 6 Kupfer Lage: 35 µm Dielektrikum: 100 µm / 2,2 W/mK Aluminium: 1,5 mm verbessertes Layout Heatsink umlaufend 3mm vergrößert Seite

26 Variante 6 Seite

27 Kupfer Lage: 35 µm FR 4: 1500 µm / 0,3 W/mK Vergleich FR4 Seite

28 Welche Faktoren beeinflussen den Preis? Markenlaminate sind teurer gegenüber eigenproduzierten Laminaten Kupfer ist teurer gegenüber Aluminium Je höher der Wärmeleitwert des Materials desto höher der Preis Je dicker das Dielektrikum, je teurer die Leiterplatte Der Liefernutzen des Kunden sollte an die beste Auslastung des Produzenten angepasst werden Konturen sollen wenn möglich immer gestanzt oder gekerbt werden, Fräsen ist aufwendiger und daher teurer Gewinde, Senkungen und Tiefenfräsungen im Metall erhöhen den Preis Seite

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