WÜRTH ELEKTRONIK / Wärmemanagement

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1 WÜRTH ELEKTRONIK / Wärmemanagement

2 Agenda Grundlagen/Möglichkeiten Wärmemanagement LED High Power Modul - Eigenentwicklung Weitere Anwendungen /Simulation Seite

3 Agenda Grundlagen/Möglichkeiten Wärmemanagement LED High Power Modul - Eigenentwicklung Weitere Anwendungen / Simulation Seite

4 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 Besonders die Temperaturbelastbarkeit von LED-Anwendungen ist beschränkt Veränderung Licht- und Farbeigenschaften / Reduzierung Lebensdauer Seite

5 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

6 Grundlagen Wärmemanagement Arten der Wärmeleitung Konvektion: Strahlung: Wärmeübertragung durch Gase und Flüssigkeiten Emission von Photonen Konduktion: Weitergabe von Wärmeenergie durch in der Regel feste Körper Vertikal: Thermovia / Microvia/Buried Via Horizontal: Wärmespreizung Kupfer / Heatsink Seite

7 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

8 Grundlagen Wärmemanagement thermischer Widerstand Rth Rth = Länge des Wärmepfades d Wärmeleitwert λ * Querschnitt des Wärmepfades A Ziel: thermischen Widerstand reduzieren Schichtdicke verkleinern dünne Leiterplatte dünne Isolationsschichten Wärmeleitwert vergrößern Erhöhung Kupferanteil parallele thermische Vias in z Achse Querschnitt Wärmepfad vergrößern min. 25µm Kupfer in der Hülse! parallele thermische Vias große Kupferflächen zur Wärmespreizung (x/y) große Kontaktfläche Kupfer zum Kühlkörper Seite

9 Agenda Grundlagen/Möglichkeiten Wärmemanagement LED High Power Modul - Eigenentwicklung Weitere Anwendungen Simulation Seite

10 LED High Power Modul IDEE: Entwicklung eines frei konfigurierbaren, mehrfarbigen, High-Power-LED Moduls Modulares Komplett-System Kompakte Gesamtbauweise, Schutz vor Vandalismus Gleichförmige Lichtverteilung, keine Spots Optimiertes Wärmemanagement Energieeinsparung durch tageslichtabhängige Regelung Förderung des (individuellen) Biorhythmus Steigerung des Wohlbefindens Verbesserung der Arbeitsqualität und Sicherheit durch entspannteres Sehen Seite

11 LED High Power Modul 3. Welcher Leiterplattentyp ist geeignet 1. Welche LEDs sollen eingesetzt werden Entwärmungskonzept bei W Verlustleistung der LEDs 2. Welche Anforderungen werden an die (Steuer)elektronik gestellt 4. Wie wird die Aufbau- und Verbindungstechnik realisiert Seite

12 LED High Power Modul Welche LEDs sollen eingesetzt werden SMD LEDs Vorteile: gute Verfügbarkeit große Bandbreite an verschiedenen Typen und Herstellern vorhanden Bestückung erprobter Standardprozess Entscheidung aus thermischen Gesichtspunkten: Einsatz von Bare Dies (Wärmewiderstand Gehäuse entfällt) Aber: Wärmewiderstand Sperrschicht Lötpad 6,5-11 K/W (Datenblatt OSRAM Golden DRAGON Plus) Quelle: OSRAM Seite

13 LED High Power Modul Welche Anforderungen werden an die (Steuer)elektronik gestellt LED Treiber (Ansteuerung) LED Leuchtmittel Kantenlichteinspeisung High Power RGB und/oder KW, WW Integrierter Lichtsensor Tageslicht abhängige Lichtregelung Konstante Lichtfarbe u. Intensität Integrierter Temperaturschutzsensor Ultrakompaktes LED Netzteil angedacht Optionale Protokolle Bluetooth Wifi Zigbee Arduino DALI Smartphone Gebäudeleittechnik (Lonworks, KNX, ) Indiviuelle LED Ansteuerung Lichtschemata (Szenen) Biorhythmus Seite

14 LED High Power Modul Welcher Leiterplattentyp ist geeignet IMS = Insulated Metal Substrate Multilayer mit Thermovias Quelle: Bergquist Nur für einfache Schaltungen geeignet, meist nur 1 Kupferlage ab 35 µm in Ätztechnik, Lötstopplack Mehr als 1 Kupferlage wird aufwändig und schnell teuer Freistellungen im Aluminium bzw. Isolationsschicht sehr teuer Verwendung von Durchkontaktierungen als Thermische Vias Mechanisch gebohrte Vias Gute Wärmeleitung in z-achse durch die Kupferhülse (Wandstärke min. 25 µm) Seite

15 LED High Power Modul Wie wird die Aufbau- und Verbindungstechnik realisiert Leiterplatte mit individuellen Bare Die bestücken und bonden individual Heatsinks verkleben Miniaturisierung durch Reduzierung Bauhöhe Optimierung Wärmemanagement Einstellen des Abstrahlwinkels Bare Die Heatsink Seite

16 LED High Power Modul Leiterplattenproduktion Wärmemanagement Beschaffung von ungehäusten LED Dioden in kleinen Stückzahlen Setzen und Drahtbonden der Dioden Vergießen und Schützen der Dioden Systemlösung Umsetzung in die Praxis Seite

17 LED High Power Modul Umsetzung in die Praxis Seite

18 LED High Power Modul Auszug Auswertung Lichtlabor CCT Seite

19 Agenda Grundlagen/Möglichkeiten Wärmemanagement LED High Power Modul - Eigenentwicklung Weitere Anwendungen / Simulation Seite

20 Möglichkeiten der Entwärmung IMS = Insulated Metal Substrate Alu oder Kupfer Quelle: Bergquist metallischer Träger mit Isolationsschicht und Kupferkaschierung lieferbar als fertiges Basismaterial einfache Schaltungen, meist nur 1 Kupferlage ab 35 µm in Ätztechnik, Lötstopplack Nachteile: - mehr als 1 Kupferlage wird aufwändig und schnell teuer - Freistellungen im Alu bzw. Isolationsschicht sehr teuer Alternativen: dünne DK Leiterplatte, Multilayer auf Alu-Heatsink Seite

21 Möglichkeiten der Entwärmung Thermovias Verwendung von Durchkontaktierungen als Thermische Vias mechanisch gebohrte Vias gute Wärmeleitung in z-achse durch die Kupferhülse (Wandstärke min. 25 µm) bei Leiterplattendicken größer 0,7 mm wird empfohlen die Vias zu füllen (pluggen) und mit Kupfer über zu metallisieren Seite

22 Möglichkeiten der Entwärmung gefüllte Thermovias Pad 10 x 10 mm Enddurchmesser Via: 0,3 mm / Kupfer in Hülse: 25 µm Pitch Anzahl Vias LP Dicke 1,6mm / Rth in K/W LP Dicke 0,36mm / Rth in K/W λ in W/mK Cu - Anteil 1,9 mm 20 6,65 1,51 2,39 0,51% 1,5 mm 50 3,12 0,71 5,13 1,28% 1,2 mm 81 2,01 0,45 7,98 2,07% 1,1 mm 100 1,64 0,37 9,74 2,55% 1,0 mm 121 1,37 0,31 11,71 3,09% 0,8 mm 176 0,95 0,21 16,89 4,49% 0,6 mm 289 0,58 0,13 27,84 7,38% Seite

23 Möglichkeiten der Entwärmung Thermovias Filling Prozess Kupfer FR4 Kupfer Aushärten Bohren Bürsten/Schleifen Bohrung metallisieren Metallisieren Vakuum filling Prozess Seite

24 Möglichkeiten der Entwärmung Kombination Microvia/Buried Via sehr dünnner Multilayer in Verbindung mit Buried Vias und Microvias kurzer Wärmepfad, Microvias direkt im Lötpad keine Lötprobleme vollständige Entkopplung von CTE Mismatch Seite

25 Anwendungen Heatsink-Leiterplatte Hybrid -Beleuchtungen (LED-Technologie) von Flugzeugen optimales Wärmemanagement für sehr helle LED mit hoher Wärmeentwicklung anspruchsvolle Liefernutzengestaltung thermomechanische Entkopplung: Blasenfreies Verkleben von Leiterplatte und Aluminium durch spezielle Klebetechnologie, dadurch gute Wärmeableitung Gewichtsersparnis durch 1,0 mm dünnen Aluminium-Träger Seite

26 Anwendungen Modulare Power-LED Lichtleiste extrem hohe Leuchtdichte, Steuerung der Leuchte ist bereits auf der Leiterplatte integriert Wärmespreizung bereits in 2 zusätzlichen Innenlagen gute Lötbarkeit durch gefüllte und gedeckelte Thermovias Quelle: WE Seite

27 Anwendungen Motorsteuereinheit Maxon Motor Kompaktantrieb mit kombinierter Steuerung, Sensorik und Motor in einem Aluminiumgehäuse robuste, platzsparende Antriebslösung mit hoher Leistungsdichte (max. Leistung 60W) hochdynamischer, wartungsfreier Antrieb Quelle: maxon motor ; WE Thermovias Gewinde im Alu-Heatsink Seite

28 Anwendungen Motorsteuereinheit Maxon Motor Temperaturmessung im Betrieb Montage durch Gewinde im Heatsink Quelle: maxon motor ; WE T Wmax - max. zulässige Temperatur T W - Wicklungstemperatur T S - Statortemperatur T P - Platinentemperatur T G - Gehäusetemperatur Seite

29 Anwendungen Getriebesteuerung 4 - Lagen Microvia-Leiterplatte auf Aluminium Heatsink optimiertes thermisches Management durch thermische Microvias in Kombination mit Buried Vias seit mehreren Jahren in Serienproduktion Umgebungstemperatur 40 C bis 125 C durch Verlustleistung Quelle: WE Seite

30 Anwendungen 4-Lagen Flex mit Chip direkt geklebt auf Kupfer Heatsink 0,8mm mit ENIG-Oberfläche AlSi-Draht Bonden 2 Chips in Kavität Quelle: UNI Heidelberg/CERN Seite

31 Anwendungen LASERCAVITY - Zwei Ebenen mit unterschiedlichen elektrischen Lagen und elektrischen Potentialen Microvias für thermische Entwärmung Aluminium Heatsink Schliff durch den gesamten Lagenaufbau Quelle: WE Seite

32 Anwendungen LASERCAVITY LEDs + Wärmemanagement ~ LEDs / 1dm² 400µm Quelle: WE Seite

33 Doppelseitige FR4 Leiterplatte 2,4 mm Kern Kantenmetallisierung Anwendungen Ungehäuste LED wird auf Stirnseite der Leiterplatte geklebt, gebondet und vergossen Ersatzbirne für E10 Sockel Interne Studie: WELED Quelle: WE Seite

34 Layout Seite

35 Randbedingungen Simulation Leiterplatte Größe 45 x 45 mm Verlustleistung LED 3W Umgebungstemperatur 20 C Leiterplatte senkrecht freistehend im Labor Wärmeübertragung zur Luft 12 W/m²K Seite

36 Thermische Simulation Variante 1 Kupfer Lage: 50µm FR4: 1550µm Layout Seite

37 Thermische Simulation Variante 1 Seite

38 Thermische Simulation Variante 2 Kupfer Lage: 50µm FR4: 1550µm verbessertes Layout Seite

39 Thermische Simulation Variante 1 Layout mit Kupfer fluten dadurch Wärmespreizung Reduzierung Temperatur LED von 552 C auf 170 C Variante 2 Seite

40 Thermische Simulation Variante 3 Kupfer Lage: je 50µm FR4: 1550µm verbessertes Layout zusätzliche Kupferlage BOTTOM Seite

41 Thermische Simulation Variante 2 zusätzliche Lage BOTTOM Reduzierung Temperatur LED von 170 C auf 144 C Variante 3 Seite

42 Thermische Simulation Variante 4 Kupfer Lage: je 50µm FR4: 1550µm Thermovia Hülse 25µm Kupfer verbessertes Layout zusätzliche Kupferlage BOTTOM Thermovia von 1 nach 2 Seite

43 Thermische Simulation Variante 2 Variante 3 Variante 4 2 Lagen und Thermovia Reduzierung Temperatur LED von 170 C auf 113 C Seite

44 Thermische Simulation Variante 5 Kupfer Lagen 2: je 50µm FR4 Dicke reduziert: 500µm Thermovia Hülse 25µm Kupfer Aluminium Heatsink: 1000µm verbessertes Layout zusätzliche Kupferlage BOTTOM Thermovia von 1 nach 2 Seite

45 Thermische Simulation Variante 2 Variante 3 Variante 5 2 Lagen, Thermovia und Heatsink Reduzierung Temperatur LED von 170 C auf 89 C Seite

46 Thermische Simulation - Fazit Eine ausreichende Entwärmung ist bei den Varianten 1, 2 und 3 nicht gegeben. Die Variante 4 befindet sich im Grenzbereich. Wird berücksichtigt, dass in der LED selbst noch eine Temperaturerhöhung von 4 bis 6 Grad stattfindet, kann die zulässige Junction Temperatur bereits überschritten werden. Mit dem Einsatz von Thermovia und Heatsink in Variante 5 kann eine zuverlässige Entwärmung der LED gewährleistet werden. Seite

47 Thermische Simulation Kupfer Lagen 2: je 50µm FR4 Dicke reduziert: 500µm Thermovia Hülse 25µm Kupfer Aluminium Heatsink: 1000µm Heatsink umlaufend 15mm größer Seite

48 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Bert Heinz WÜRTH ELEKTRONIK GmbH & Co. KG Productmanagement Thermal Management Circuit Board Technology T.: M.: E.: W.: