WÜRTH ELEKTRONIK / Wärmemanagement
Agenda Grundlagen/Möglichkeiten Wärmemanagement LED High Power Modul - Eigenentwicklung Weitere Anwendungen /Simulation www.we-online.de/waermemanagement Seite 2 08.06.2016
Agenda Grundlagen/Möglichkeiten Wärmemanagement LED High Power Modul - Eigenentwicklung Weitere Anwendungen / Simulation www.we-online.de/waermemanagement Seite 3 08.06.2016
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 www.we-online.de/waermemanagement Seite 4 08.06.2016
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 www.we-online.de/waermemanagement Seite 5 08.06.2016
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 www.we-online.de/waermemanagement Seite 6 08.06.2016
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 www.we-online.de/waermemanagement Seite 7 08.06.2016
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 www.we-online.de/waermemanagement Seite 8 08.06.2016
Agenda Grundlagen/Möglichkeiten Wärmemanagement LED High Power Modul - Eigenentwicklung Weitere Anwendungen Simulation www.we-online.de/waermemanagement Seite 9 08.06.2016
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 www.we-online.de/waermemanagement Seite 10 08.06.2016
LED High Power Modul 3. Welcher Leiterplattentyp ist geeignet 1. Welche LEDs sollen eingesetzt werden Entwärmungskonzept bei 150-200 W Verlustleistung der LEDs 2. Welche Anforderungen werden an die (Steuer)elektronik gestellt 4. Wie wird die Aufbau- und Verbindungstechnik realisiert www.we-online.de/waermemanagement Seite 11 08.06.2016
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 www.we-online.de/waermemanagement Seite 12 08.06.2016
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 www.we-online.de/waermemanagement Seite 13 08.06.2016
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) www.we-online.de/waermemanagement Seite 14 08.06.2016
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 www.we-online.de/waermemanagement Seite 15 08.06.2016
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 www.we-online.de/waermemanagement Umsetzung in die Praxis Seite 16 08.06.2016
LED High Power Modul Umsetzung in die Praxis www.we-online.de/waermemanagement Seite 17 08.06.2016
LED High Power Modul Auszug Auswertung Lichtlabor CCT 3319 www.we-online.de/waermemanagement Seite 18 08.06.2016
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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 www.we-online.de/waermemanagement Seite 20 08.06.2016
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 www.we-online.de/waermemanagement Seite 21 08.06.2016
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% www.we-online.de/waermemanagement Seite 22 08.06.2016
Möglichkeiten der Entwärmung Thermovias Filling Prozess Kupfer FR4 Kupfer Aushärten Bohren Bürsten/Schleifen Bohrung metallisieren Metallisieren Vakuum filling Prozess www.we-online.de/waermemanagement Seite 23 08.06.2016
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 www.we-online.de/waermemanagement Seite 24 08.06.2016
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 www.we-online.de/waermemanagement Seite 25 08.06.2016
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 www.we-online.de/waermemanagement Seite 26 08.06.2016
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 www.we-online.de/waermemanagement Seite 27 08.06.2016
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 www.we-online.de/waermemanagement Seite 28 08.06.2016
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 www.we-online.de/waermemanagement Seite 29 08.06.2016
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 www.we-online.de/waermemanagement Seite 30 08.06.2016
Anwendungen LASERCAVITY - Zwei Ebenen mit unterschiedlichen elektrischen Lagen und elektrischen Potentialen Microvias für thermische Entwärmung Aluminium Heatsink Schliff durch den gesamten Lagenaufbau Quelle: WE www.we-online.de/waermemanagement Seite 31 08.06.2016
Anwendungen LASERCAVITY LEDs + Wärmemanagement ~ 12000 LEDs / 1dm² 400µm Quelle: WE www.we-online.de/waermemanagement Seite 32 08.06.2016
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 www.we-online.de/waermemanagement Seite 33 08.06.2016
Layout www.we-online.de/waermemanagement Seite 34 08.06.2016
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 www.we-online.de/waermemanagement Seite 35 08.06.2016
Thermische Simulation Variante 1 Kupfer Lage: 50µm FR4: 1550µm Layout www.we-online.de/waermemanagement Seite 36 08.06.2016
Thermische Simulation Variante 1 www.we-online.de/waermemanagement Seite 37 08.06.2016
Thermische Simulation Variante 2 Kupfer Lage: 50µm FR4: 1550µm verbessertes Layout www.we-online.de/waermemanagement Seite 38 08.06.2016
Thermische Simulation Variante 1 Layout mit Kupfer fluten dadurch Wärmespreizung Reduzierung Temperatur LED von 552 C auf 170 C Variante 2 www.we-online.de/waermemanagement Seite 39 08.06.2016
Thermische Simulation Variante 3 Kupfer Lage: je 50µm FR4: 1550µm verbessertes Layout zusätzliche Kupferlage BOTTOM www.we-online.de/waermemanagement Seite 40 08.06.2016
Thermische Simulation Variante 2 zusätzliche Lage BOTTOM Reduzierung Temperatur LED von 170 C auf 144 C Variante 3 www.we-online.de/waermemanagement Seite 41 08.06.2016
Thermische Simulation Variante 4 Kupfer Lage: je 50µm FR4: 1550µm Thermovia Hülse 25µm Kupfer verbessertes Layout zusätzliche Kupferlage BOTTOM Thermovia von 1 nach 2 www.we-online.de/waermemanagement Seite 42 08.06.2016
Thermische Simulation Variante 2 Variante 3 Variante 4 2 Lagen und Thermovia Reduzierung Temperatur LED von 170 C auf 113 C www.we-online.de/waermemanagement Seite 43 08.06.2016
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 www.we-online.de/waermemanagement Seite 44 08.06.2016
Thermische Simulation Variante 2 Variante 3 Variante 5 2 Lagen, Thermovia und Heatsink Reduzierung Temperatur LED von 170 C auf 89 C www.we-online.de/waermemanagement Seite 45 08.06.2016
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. www.we-online.de/waermemanagement Seite 46 08.06.2016
Thermische Simulation Kupfer Lagen 2: je 50µm FR4 Dicke reduziert: 500µm Thermovia Hülse 25µm Kupfer Aluminium Heatsink: 1000µm Heatsink umlaufend 15mm größer www.we-online.de/waermemanagement Seite 47 08.06.2016
Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Bert Heinz WÜRTH ELEKTRONIK GmbH & Co. KG Productmanagement Thermal Management Circuit Board Technology T.: +49 7622 397 477 M.:+49 160 97211825 E.: bert.heinz@we-online.de W.: www.we-online.com