Webinar High Performance Leiterplattensystem Miniaturisierung HDI Wärmemanagement Printed Polymer www.we-online.de Webinar Seite 1 06.10.2015
Hoch zuverlässige Leiterplatten und Baugruppen in der Automobilelektronik am Beispiel eines High Performance Leiterplattensystems 1. Miniaturisierung HDI Technologie Zuverlässigkeit IST 2. EmbR - gedruckte eingebettete Widerstände Performance - Toleranzen Zuverlässigkeit 3. Wärmemanagement Thermovias Kühlkörper / Heat Sink Thermische Simulation Stefan Keller Produktmanager 4. Kosten FR4 statt Keramik www.we-online.de Webinar Seite 2 06.10.2015
Marktanforderungen Produkte Zielsetzung des Kunden: Leiterplatten- bzw. Baugruppengröße auf 1/4 gegenüber der noch laufenden Vorgängergeneration reduzieren Verwendung von komplexen und kleinen Bauteilen Hohe Dauereinsatztemperatur (- 40 bis +140 C Umgebungstemperatur) Unverändert hohe Langzeitzuverlässigkeit, min. 10 Jahre, 20.000 h (Einsatz im Nutzfahrzeugbereich) Geeignet für raue Umgebungsbedingungen, z.b. Vibration, mech. Schock preislich wettbewerbsfähig Anforderung an den Leiterplattenhesteller Kompetentes Team Technologie, Prozessentwicklung, Qualitätsmanagement Projektmanagement Testequipment Investitionsbereitschaft www.we-online.de Webinar Seite 3 06.10.2015
Miniaturisierung Produkte Neue LP Größe: 1/4 1. Ansatz (temporär): LTCC - Keramiklösung > funktioniert, Zielsetzung aber nur bedingt erreicht da relativ teuer 2. Ansatz: High Performance FR4 Leiterplattensystem 50 x 140 mm Kombination HDI- und Printed Polymer Technologie in Verbindung mit optimiertem Wärmemanagement > Zielsetzung erreicht, Produktionsstart Anfang 2015 www.we-online.de Webinar Seite 4 06.10.2015
Buried Via High Performance Leiterplattensystem Miniaturisierung durch HDI Technologie Produkte LP Größe / Baugruppengröße > kann entscheidend für den Erfolg eines Produktes sein! Langjährige Empfehlung des WE HDI Produktmanagements: Reduzierung der Verdrahtungsfläche durch den Einsatz von Microvias + Buried Vias statt durchgehenden Vias > bei der gezeigten Anwendung perfekt umgesetzt Microvia Vermeidung von PTH Vias www.we-online.de Webinar Seite 5 06.10.2015
Miniaturisierung durch HDI Technologie Lagenaufbau HDI06_2+2b+2 Hohe Packungsdichte durch Microvias + Buried Vias, ohne durchgehende (PTH) Vias 2. Microvia Lage Höchste Zuverlässigkeit durch geringe LP-Dicke unter 1.0 mm (= geringe Z-Achsenausdehnung) Basismaterial Low CTE TG 170, gefüllt, halogenfrei Durchgehende Vias sind i.d.r. die Schwachstelle einer Leiterplatte was die Zyklenfestigkeit der Bohrungen angeht. www.we-online.de Webinar Seite 6 06.10.2015
Zuverlässigkeit Leiterplatte Produkte Durchgeführte Untersuchungen: Temperaturwechseltests TWT -40 / +155 C IST (LP + Teststreifen) Ergebnisse: jeweils 1000 Zyklen problemlos bestanden Weitere Tests wurden am Komplettsystem durchgeführt. Ebenso die Untersuchungen durch den Kunden an der kompletten Baugruppe www.we-online.de Webinar Seite 7 06.10.2015
Zuverlässigkeit Leiterplatte Interconnect Stress Test - IST Der IST bietet einige entscheidende Vorteile gegenüber den herkömmlichen Temperaturwechseltests (TWT): 1000 Temperatur - Zyklen in 4 Tagen Onlinemessung der Messkreise IST = sehr aussagefähiger Test Spezieller Testcoupon abgestimmt auf das PCB-Layout www.we-online.de Webinar Seite 8 06.10.2015
Zuverlässigkeit - IST Vorbehandlung: 6 x Reflow 245 C oder 2 x 260 C Reflow-Simulation im IST oder gemäß Kundenspezifikation Elektrische Aufheizung des Coupons über den Power-Kreis auf 150 C innerhalb von 3 Minuten, Abkühlung auf Raumtemperatur in 2 Minuten Onlinemessung von Temperatur und Widerstand (+ 10 % max. Widerstandserhöhung zulässig) www.we-online.de Webinar Seite 9 06.10.2015
Zuverlässigkeit - IST Messergebnisse HDI Lagenaufbau (ohne PTH Vias) TEST RESULTS Coupon Pwr Cycles Pwr % SenseA SnsA % SenseB SnsB % Results ID Cycles Cycles 5209_10 1000 0 1000 0.1 1000 0.2 Accept 5209_11 1000-0.3 1000-0.2 1000-0.1 Accept 5209_14 1000 0.6 1000 0.6 1000 0.5 Accept 5209_2 1000-0.1 1000-0.1 1000 0.1 Accept 5209_5 1000-0.2 1000-0.2 1000-0.3 Accept 5209_8 1000-0.5 1000-0.5 1000-0.4 Accept 5209_9 1000-0.3 1000-0.2 1000-0.3 Accept Mean Std Dev Min Max Range Coef Var CusSpec N/A N/A N/A Zuverlässig hergestellte Microvias haben eine hohe Zyklenfestigkeit von weit über 1000 IST Zyklen ( 3000 TWT Zyklen) TEST PROTOCOL: 334 ------------------------------------PASS------------------------------------ www.we-online.de Webinar Seite 10 06.10.2015
Zuverlässigkeit IST Leiterplatte allg. Testergebnisse PTH Vias (allgemein) / TG 150 Material Weibull - Analyse In Weibull Wahrscheinlichkeitsbetrachtungen können Ergebnisse von Zyklenfestigkeiten sehr aussagefähig dargestellt werden. Unterschiede zwischen verschiedenen Materialien, Viatypen, Bohrdurchmessern, Cu-Schichtdicken, Temperaturbelastungen, usw. sind klar erkennbar. www.we-online.de Webinar Seite 11 06.10.2015
Zuverlässigkeit - Lötprozess IPC-7095C: max. 22% of the image diameter Die Entstehung von Voids ist auch abhängig von: - Flussmittel / Lotpasten - Löt Temperatur Profil - der gleichmäßigen bzw. ungleichmäßigen Durchwärmung der Leiterplatte (Layout, Aufbau) www.we-online.de Webinar Seite 12 06.10.2015
Zuverlässigkeit Lötprozess / Microvia Filling Da beide Varianten, gefüllte und ungefüllte Microvias, Vor- und Nachteile haben, gibt WE hierzu keine Empfehlung. Kupfer- Filling Jeder muss für sich entscheiden! Filling = Aufpreis!! Filled & capped www.we-online.de Webinar Seite 13 06.10.2015
Gedruckte Widerstände Printed Polymer allg. Anwendungen: Pull-up und Pull-down Widerstände Spannungsteiler Allg. Schaltungswiderstände Hohe Zuverlässigkeitsanforderungen Fakten: Pasten mit verschiedenen Widerstandswerten Toleranz Druckprozess R +/- 30 % (Standard) Toleranz nach Laserabgleich +/- 5 % über die ganze Lebensdauer Widerstandswerte von 50Ω to 1 MΩ (Standard) Leistung einfach anpassbar Geringer Temperaturkoeffizient ( Widerstandsänderung) +/- 300 ppm/k Standardgröße min. 1,75 mm 1,25 mm Dicke des Widerstandes ca. 20 µm Design Rules verfügbar www.we-online.de Webinar Seite 14 06.10.2015
Gedruckte Widerstände Printed Polymer WE: 10 Jahre Erfahrung mit gedruckten Widerständen mit Polymer Pasten (Carbon) - Miniaturisierung mit eingebetteten Widerständen EmbR - Zuverlässigkeitsvorteile p Länge R = ------- x -------- 0,02 Breite p = Pastenwert www.we-online.de Webinar Seite 15 06.10.2015
Gedruckte Widerstände Laserabgleich Toleranz Widerstandswert ohne Laserabgleich max. +/- 30% Mit Laserabgleich (Trimming) nach der Bearbeitung: bis +/- 1% Über ganze Lebensdauer: +/- 5% Traceability: Der Laserabgleich ermöglicht durch binäre Kodierung von zusätzlich eindesignten Widerständen eine perfekte Rückverfolgbarkeit. www.we-online.de Webinar Seite 16 06.10.2015
Gedruckte Widerstände Auswahl Pasten Im 1. Schritt waren umfangreiche Untersuchungen erforderlich, um zu ermitteln welche Pasten die an das Komplettsystem gestellten hohen Anforderungen erfüllen können. Insbesondere die Stabilität der Widerstandswerte unter Temperatureinfluss stellt für viele Pastensysteme eine Herausforderung dar. Widerstandsänderung 4 Pasten @ 155 C betrieben mit max. Leistung www.we-online.de Webinar Seite 17 06.10.2015
Power Derating Gedruckte Widerstände Tests Ziel des Power Derating Tests ist es, die Paste Rated Power at 70 C (mw/mm max. elektrische Belastung des 2 ) WE-2D-250.1 179 Widerstandes WE-2D-10k.1 zu ermitteln, 100 ohne den Widerstand irreversibel zu beschädigen, bei konstanter Stromstärke Ergebnis: auch bei 140 C liegt die Verlustleistung noch weit über den angestrebten 50 mw/mm² Die Performance der gedruckten Widerstände ist mindestens genau so gut wie bei vergleichbaren SMD - Widerständen und EmbR anderer Embedded Technologien. TWT Temperaturwechseltest -40 C / + 155 C, 1000 Zyklen, Transferzeit max. 20 s, Haltezeit 15 Min., Widerstandsänderung max. 2 % >>mit +125 C: 4000 Zyklen bestanden ohne Ausfall (Längenausdehnung vergleichbar mit Basismaterial) www.we-online.de Webinar Seite 18 06.10.2015
Gedruckte Widerstände Tests Qualifizierung des Systems Widerstände und Spannungsteiler Test Testmethode Prozedur Max. Abweichung Einzelwiderstand Temperature Coefficient of Resistance (TCR) Hochtemperaturauslagerung High Temperature Exposure (HTE) DIN EN 60115-1:2012-04, 4.8 +20 / -40 C...+20 C / +140 C - 700 300 ppm/k MIL-STD-202 Methode 108 1000 h @ T A = 150 C unbelastet +/- 3% Feuchtebeständigkeit Moisture Resistance MIL-STD-202 Methode 106 25 /65, 95% rf, 3 Zyklen in 24h, 10 Tage, unbelasted +/- 2% Feuchtediffusion Biased Humidity MIL-STD-202 Methode 103 1000 h, 85 C, 85% rf, 10 % der Nennleistung (50 mw/mm²) +/- 3% High Temperatur Operating Life (HTOL) MIL-STD-202 Methode 108 1000h HTE, danach 1000 h HTOL @ T A = 140 C mit Nennleistung +/- 20% Lötbeständigkeit Resistance to Soldering Heat IPC-TM650 5 mal 260 +/- 5 C, 10 +/- 1 s +/- 2 % Dieselben Prüfungen wurden mit den komplett bestückten Baugruppen vom Kunden ebenfalls durchgeführt. Auszug aus Qualifizierungsprogramm www.we-online.de Webinar Seite 19 06.10.2015
Gedruckte Widerstände Prüfungen Qualifizierung des Systems: Vorbereitung HTOL Aufbau der Messung www.we-online.de Webinar Seite 20 06.10.2015
Gedruckte Widerstände Tests Jährliche Re-Qualifizierung des Systems Widerstände und Spannungsteiler www.we-online.de Webinar Seite 21 06.10.2015
Wärmemanagement - allgemein Thermische Simulation Möglichkeiten auf Leiterplattenbasis: Entwärmung über Vias Wärmespreizung über Masseflächen und aufgeklebte Kühlkörper (Heatsink) Ziele: Absenkung der Temperatur am Bauteil Vermeidung von kritischen Temperaturen innerhalb des Bauteils und der Baugruppe Verlängerung der Lebensdauer und Sicherstellen der Langzeitzuverlässigkeit der Baugruppe Variante 2 Im Grenzbereich ist eine thermische Simulation im Vorfeld dringend zu empfehlen. Variante 3 www.we-online.de Webinar Seite 22 06.10.2015
Wärmemanagement - Leiterplattensystem Anforderungen an das System Einsatztemperatur 140 C, kurzzeitig 150 C ALU-Kühlkörper mit hoher Oberflächengüte Dickdraht bondbar ausreichende Haftfestigkeit in Verbindung mit Wärmetransferkleber Optimiertes Wärmemanagement hohe Anzahl Microvias (direkt in Lötfläche) und Buried Vias großer Querschnitt geringer Wärmewiderstand dünner Wärmetransferkleber 50 µm d.h. EmbR sehr nahe an Wärmesenke (Kühlkörper) neue logistische Herausforderung für LP-Hersteller www.we-online.de Webinar Seite 23 06.10.2015
Wärmemanagement Haftverbund Nachweis der Haftung Leiterplatte auf ALU Kühlkörper Ziel: ca. 0.60 N/mm² Vorbehandlung TWT (-40 C / +155 C) 1000 Zyklen Klimalagerung 1000 h (85 C / 85% Luftfeuchtigkeit) Hochtemperaturauslagerung (HTE Test) 1000 h im Ofen / 155 C Ergebnis: Für guten Haftverbund erforderlich: Verklebung unter Berücksichtigung von definierten Druck-, Temperatur-, Zeitparametern Oberflächenspannng ALU min. 38 mn/m www.we-online.de Webinar Seite 24 06.10.2015
Wärmemanagement Simulation LP Unterseite Umgebungstemperatur: 140 C Max. Temperatur am Widerstand: 153.5 C Leistungen gemäß Kunden- Spezifikation Thermische Simulation - Würth Elektronik CBT Produktmanagement www.we-online.de Webinar Seite 25 06.10.2015
Wärmemanagement Thermographie-Messung LP Unterseite Die Thermographie-Messungen bestätigen im wesentlichen die Ergebnisse der Simulation. Da diese Messungen sehr aufwändig sind, kann immer nur eine begrenzte Anzahl von Widerständen untersucht werden. Umgebungstemperatur 140 C Widerstände bestromt mit 5-30 V (HTOL Test) Messung nach 60 Min. www.we-online.de Webinar Seite 26 06.10.2015
Wärmemanagement Thermographie-Messung LP Oberseite Die Thermographie-Messungen zeigen dass auch auf der Leiterplattenoberseite durch die Belastung der Wiederstände keine kritischen Hotspots auftreten. Umgebungstemperatur 140 C Widerstände bestromt mit 5-30 V (HTOL Test) Messung nach 60 Min. www.we-online.de Webinar Seite 27 06.10.2015
Kosten Keramik FR4 Hohe Temperaturbeständigkeit Hohe Funktionalität Höchste Packungsdichte Kostengünstig www.we-online.de Webinar Seite 28 06.10.2015
Kosten Leiterplatte allg. Hauptvorteil FR4 Leiterplatte: Fertigung im großen Fertigungspanel Kostentreiber Leiterplatte Vorgestelltes System Leiterplattengröße + Relativ klein Ungünstiger Liefernutzen / X-Out ++ Einzel-LP Komplexer Lagenaufbau Zweifachverpressung Materialkosten ++ Nur ein Kern, vier Prepregs, TG170 Mech. gebohrte Vias ++ Nur Buried Vias im dünnen Kern Anzahl Galvanikschritte Nur drei einfache DK Prozesse Aufwändige Konturbearbeitung + Einfache Fräskontur www.we-online.de Webinar Seite 29 06.10.2015
Anforderung an LP Hersteller metallurgische Schlifferstellung Prüfung nach IPC-6012 Klasse 3 Stereo/Lichtmikroskopie (VIS/UV) IR Kamera Ionograph CAF Messung Klimaschrank Temperaturwechseltest TWT Stromstoßtest Pressure Cooker Test XRF IST Thermosimulation Testequipment für HTOL Power Derating Labview - gesteuert Zusammenarbeit mit Instituten REM/EDX (Uni Basel, EMPA Zürich) FIB (Uni Basel, EMPA Zürich) XPS (IGB Stuttgart) Benetzungstests (ISIT Itzehoe) Ultraschallmikroskopie (ISIT Itzehoe) www.we-online.de Webinar Seite 30 06.10.2015
Zusammenfassung Miniaturisierung durch - HDI Technologie - gedruckte Widerstände (Printed Polymer) Höchste Zuverlässigkeit durch dünnen HDI Lagenaufbau ohne PTH Vias Eine Technologiekombination aus - HDI - gedruckten Widerständen - optimiertem Wärmemanagement kann die kosteneffektive Substitution einer Keramik Lösung durch eine FR4 Leiterplatte ermöglichen. Ein kompetenter breit aufgestellter Leiterplattenhersteller kann eine solche Aufgabenstellung umsetzen. Systemlösungen werden zukünftig ein wesentlicher Teil der Zusammenarbeit sein. www.we-online.de Webinar Seite 31 06.10.2015
Produkte Systeme Dienstleistungen Die Kenntnis der Zusammenhänge ist ein Erfolgsgeheimnis! Wir freuen uns auf die Zusammenarbeit! Stefan Keller Produktmanager stefan.keller@we-online.de www.we-online.de Webinar Seite 32 06.10.2015