Aluminium in der Leiterplatte

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1 19. FED-Konferenz, Würzburg, 15. September 2011 Aluminium in der Leiterplatte Fremdkörper oder Nutzbringer? Dr. Christoph Lehnberger, Projektmanager - Berlin Inhalt 1 Vergleich von Aluminium und Kupfer 3 Kabel 4 Aluminiumleiter in flexible Leiterplatten 5 Hochstromanwendungen

2 1 Vergleich Aluminium Kupfer Gewinnung Bauxit Kupfererz Reinigung Verhüttung Elektrolyse Elektrolyse Rotschlamm Primärenergieverbrauch 150 kwh/kg Aufbereitung 20 kwh/kg für Erzaufarbeitung 15 kwh/kg Elektrolyse 0,3 kwh/kg Elektrolyse Ressourcen, Verfügbarkeit 8% der Erdkruste Offene Mienen reichen bis (häufigstes Metall) Preis 2 /kg oder 5 /dm³ 7 /kg = 60 /dm³ 1 Vergleich Aluminium Kupfer Elektrische Leitfähigkeit Al 99,5: σ -1 = 2,7 µω cm σ -1 = 1,7 µω cm (-40%) Thermische Leitfähigkeit Al 99,5: λ = 220 W/mK λ = 385 W/mK (-40%) Dichte Al 99,5: ρ = 2700 kg/m³ ρ = 8900 kg/m³ ( 3,3) Ein Alu-Kabel wiegt nur halb so viel wie ein Kupferkabel von gleichem Widerstand bzw. gleicher Stromtragfähigkeit. Die Metallkosten für ein Kabel gleicher Stromtragfähigkeit sind bei Kupfer 5fach höher als bei Aluminium.

3 1 Vergleich Aluminium Kupfer CTE xy Al 99,5: 24 ppm/k 16,6 ppm/k FR4: 16 ppm/k Verwölbung im Schichtverbund (Bimetalleffekt), wenn keines der Materialien dominiert. (E-Moduln, Stärken, Symmetrie) AlGrafit: 8 ppm/k AlSi25: 17 ppm/k Alu dominiert FR4 dominiert Verwölben von Cu-FR4-Verbund durch Aushärten von Prepregs Heatsink = Wärmesenke, Isotherme, Kühlblech, Kühlkörper Metallteil mit direktem Kontakt zur Wärmequelle, zur Wärmeableitung. (Wärmeleitung ist sehr viel effektiver als Wärmeübergang an die Luft) Wärmetransport Je nach Anwendung findet man sehr unterschiedliche Heatsink-Typen Aluminium-Isotherme

4 Heatsink in der historischen Definition Eloxiertes Aluminium / Kupfer-Blech = individueller, flacher Kühlkörper Thermische Anbindung der heißen THT-Bauteile über direkten Kontakt, nicht über die Pins Leiterplatte Kleber Heatsink. Heatsinks für heutige SMD-Baugruppen Alu/Kupfer-Blech oder Gehäuse als unterklebte Wärmesenke Bauteilkühlung durch thermischen Vias Direktmontage von Halbleiter auf Heatsink THT-Bestückung oder TIM: thermisches Lagen zur Kontaktierung von unten Interface-Material Wärmespreizung

5 Heatsinks für heutige SMD-Baugruppen Beispiel: Industrie-PC im Aluminiumdruckgussgehäuse 1. Quelle: elektroniknet.de Rahmentechnik Chip-Direktmontage auf Heatsink 3mm Kupfer-Heatsink Neue Version mit Alu-Heatsink Bestückung mit 96 Hochleistungs-Peltier-Elementen

6 Rahmentechnik Beispiel mit Kupfer: Chip-Direktmontage auf Heatsink Multilayer Kupferplatte 1 mm Schwarzoxid Rahmentechnik Heatsink mit getrenten Potentialen für Chips mit Rückseitenkontakt Beispiel: 328 LEDs in Reihe: 300W / Modul Problem: IMS Material nicht gut genug. AlN-Keramik zu teuer

7 Einseitiges Heatsink IMS - Insulated Metal Substrate Leiterbild Isolation Heatsink Aluminium-Wärmesenke Spezial-Isolierung: - bis 10fache Wärmeleitfähigkeit vs. FR4 - für 1W-LEDs weit verbreitet. Höchstleistungsmaterial (nicht frei erhältlich): HPL von Bergquist ANDUS (R&D) Leitfähigk. 3 W/m K? W/m K Dicke: 38 µm <? µm Einseitiges Heatsink Beispiel: IMS für 100 Hochleistungs-LEDs a 0,5W, 40x40 mm. - Temperaturdifferenz zwischen Pad und Kühlkörper: 5 K - Temperaturdifferenz zwischen Kühlkörper und Luft ist 500K! der Kühlkörper ist nur für Impuls-Betrieb ausreichend groß.

8 Einseitiges Heatsink Heatsink reicht für die Kühlpads der Bauteile bis an die Oberfläche. - Heatsink ohne Isolationsschicht - Standard SMD-Bestückungsprozess - Auch in Alu denkbar. Zum Löten sind Oberflächen im Sonderprozess nötig. Einseitiges Heatsink Dünne flexible Leiterplatten auf Aluminiumträger LED Flex-LP Für einfache SMD-LEDs mittlerer Leistungsklasse Kleber Alu

9 Einseitiges Heatsink Anwendungsbeispiel: ebike Aufgabe: Antriebs-Steuerung für 500 A. Technologie: 210 µm Cu auf Alu Heatsink In Kühlkörper eingegossene Kondensatoren werden mitgekühlt. Jede Heatsink-Konstruktion lässt sich individuell optimieren. Metallkern als Heatsink Aluminiumkern-Leiterplatten, Metallkernleiterplatten (im engeren Sinne) Gegenüber externem Heatsink relativ aufwändige Produktion: Alu bohren, Pluggen, Laminieren, Bohren, DK, Leiterbild - Beidseitig dichte SMD-Bestückung möglich - Einsatz von THT-Bauteilen möglich (Lötprozess angepasst) - Elektrische und thermisch direkte Anbindung nur in Sonderprozessen möglich.

10 3 Kabel Aluminium-Kabel - In der DDR waren Hausinstallation und Münzen aus Alu üblich. - Seit 10 Jahren im Einsatz für Batterie-Hauptstrang (Pkw). (ein Pkw enthält ca. 50 kg Cu) Probleme & Lösungen: - Korrosion bei Kontakt mit Cu: Alu verkupfern - Kriechen: gefettete Quetschhülsen, keine Lüsterklemmen - Brandgefahr (Übergangswiderstand) Verbot für Hausinstallationen 3 Kabel Kupfer-Aluminium-Verbundwerkstoffe CCA Copper Clad Aluminum: (früher AlCu ) Verbund-Halbzeug Al-Cu oder Cu-Al-Cu Cupal : Herstellung: - Kaltwalzen - Galvanisch - Kupferspritzen

11 4 Aluminiumleiter in flexible Leiterplatten Bekanntestes Beispiel: Herstellung: - Bedrucken mit permanentem Ätzresist - Alkalisches Ätzen Wärmeerzeugende Reaktion, Wasserstoffentwicklung nicht kompatibel mit herkömmlicher Leiterplattentechnik 5 Hochstromanwendungen Bisherige Lösung mit Kupfer Kupfer-Inlay (integriert), die Hochstromleiterplatte, (Patent aus 2003, Lizenznehmer u.a. Schweizer El., Fernost-Herst.,...) Einbetten von 1-3 mm Dickkupfer für - hohe Ströme - gute Kühlung

12 5 Hochstromanwendungen Vorteile der Hochstromleiterplatte maximaler Querschnitt an jedem Interface. Standard-SMD-Bestückung hohe Freiheitsgrade beim Design Einsparung an Montageaufwand, -material und -zeit 5 Hochstromanwendungen Fertigungsschritte für die Hochstromleiterplatte ❶ Präparation von Kupferteilen durch Fräsen, Ätzen, Stanzen je nach Form, Stückzahl und Größe ❶ ❷ Rahmen fräsen ❸ Multilayer verpressen ❷ ❹ Fertigstellung

13 5 Hochstromanwendungen Beispiel 5 Hochstromanwendungen Aluminium für Hochstromanwenungen Motivation: - Gewichtsprobleme bei Elektroautos - Preisprobleme bei Luft- und Raumfahrt Ersatz von Hochstromleitern (Busbar) durch Aluminium. Aktuelle Anwendung: Power Supply bis zu 1000 A mit 3 mm Alu. Kontaktierungsverfahren: Bonden, Löten, Stecken, Klemmen, Quetschen

14 Zusammenfassung - Fazit Aluminium birgt ungehobene Schätze für Leiterplatten. Erfahrungen bei Herstellern und Anwendern sind kaum vorhanden. Projekte sind immer Systemlösungen, die alle Bereiche einschließt: Layout, Konstruktion, Leiterplatte, AVT, Montage, Peripherie Ihre Fragen und Anwendungen? Vielen Dank für Ihr Interesse.