Design Konferenz Niedernhall

Transkript

1 Design Konferenz Niedernhall Wärmemanagement / WÜRTH ELEKTRONIK Seite

2 Agenda Bert Heinz Produktmanager Wärmemanagement Grundlagen/Möglichkeiten Wärmemanagement Weitere Anwendungen Würth Elektronik GmbH & Co. KG Circuit Board Technology Simulation Seite

3 Agenda Grundlagen/Möglichkeiten Wärmemanagement 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 Länge des Wärmepfades d thermischer Widerstand Rth = 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

10 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

11 Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt Einsatzmöglichkeiten Vielfältige Einsatzmöglichkeiten LED Technik Leuchtschilder, Display, Beleuchtung Automobilindustrie LED Scheinwerfer, Motorsteuerung, Servolenkung Leistungselektronik Gleichstromversorgung, Wechselrichter, Motorsteuerung Schalter und Halbleiterrelais Seite

12 Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt 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

13 Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt 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 Seite

14 Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt 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

15 Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt 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 Seite

16 Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt 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

17 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

18 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

19 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

20 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

21 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

22 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

23 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

24 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

25 Applications Getriebesteuerung TCNG (nächste Generation) Kosteneinsparung durch Ersatz einer Keramiklösung durch eine FR4 PCB 6-Lagen Microvia - PCB mit komplexen Aluminum Heatsink (3D) Optimiertes Wärmemanagement duch Microvias in Kombination mit Buried Vias Gedruckte Widerstände auf Bottom Lage Umgebungstemperatur 40 C bis140 C Seite Source: WE

26 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

27 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

28 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

30 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

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

32 Thermische Simulation Variante 1 Seite

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

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

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

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

37 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

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

39 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

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

41 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

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

43 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Bert Heinz WÜRTH ELEKTRONIK GmbH & Co. KG Productmanagement Wärmemanagement Circuit Board Technology T.: M.: E.: W.: Seite 43