Leiterplatten für hohe Leistungen, Ströme und Temperaturen Präambel Konstruktion & Design Beispiele Material Dr. Christoph Lehnberger
Präambel
Präambel Die 3 Naturgesetze der Wärmeleitung Die Wärmeleitung ist umso besser, - 1 - je größer die Querschnittsfläche - 2 - je kürzer der Wärmepfad und - 3 - je besser die Wärmeleitfähigkeit x 1000 Je drängender das Temperaturproblem, desto strenger sind die 3 Paragraphen anzuwenden.
Konstruktion & Design
1. Wärmespreizung Je nach Geometrie des Kupfers und Anordnung der Wärmequelle kann man grundsätzlich unterscheiden: Wärmeleitung und Wärmespreizung (linear) (radial) Die erwärmte Fläche wächst mit der Länge des Wärmepfades...... proportional bzw.... quadratisch.
1. Wärmespreizung auf Masselagen Kupferflächen sind unterbrochen durch Antipads und Potentialtrennungen Masselagen verschachteln: im HDI-Aufbau berücksichtigen: Bei der Kalkulation berücksichtigen
1. Wärmespreizung auf Masselagen Einseitige Leiterplatte, lokale Hotspots bei THT- Bauteilen Multilayer mit Verteilung der Wärme auf den Kupferlagen.
2. Dickkupfer-Leiterplatten Lunker? Isolation? Feinleiter? Maximaler Kupferanteil!
2. Dickkupfer-Leiterplatten Beispiel mit 70, 105 und 210 µm Kupfer
2. Dickkupfer-Leiterplatten Typische Kupferschichtdicken Basiskupfer: 35 µm ( = 1 ounce / ft², Standard) 70 µm ( = 2 ounces / ft²) 105 µm ( = 3 ounces / ft²) 140 µm ( = 4 ounces / ft²) 210 µm ( = 6 ounces / ft²) 250 µm 400 µm 1 mm... Toleranzen beachten. Nach IPC 6012 sind geringere End-Dicken (innen / außen) zulässig: 35 µm 25 / 46 µm 105 µm 91 / 107 µm 70 µm 56 / 76 µm 140 µm 122 / 137 µm
2. Dickkupfer-Leiterplatten Spezialverfahren Leiterbild Einebnen Verfüllen der Leiterzwischenräume mit Plugging-Masse. Wenn Dickkupfer-Layout nur wenig Kupfer enthält - wegen hohen Spannungsabständen - wegen kleinen Abmessungen - wegen Ausbrüchen / Langlöchern
3a. Selektiv Dickkupfer: Eisbergtechnik (Fa. ANDUS, Fa. KSG) Auf der Außenlage sollen zwei verschiedene Kupferstärken kombiniert werden: (A) 210 µm zur Wärmespreizung (B) 50 µm für ein fine-pitch QFP-Bauteil A B
3a. Selektiv Dickkupfer: Eisbergtechnik Beispiel
3b. Selektiv Dickkupfer: Wirelaid Drahtgeschriebene Leiterplatte: (Fa. Jumatech/Schweizer* vs. Fa. Häusermann**) * * **
3c. Selektiv Dickkupfer: Kupferstärken kombiniert (Fa. Schweizer Elektronik)
4. Kupfer-Inlay (integriert) Einbetten von 1-3 mm Dickkupfer für - hohe Ströme (Hochstromleiterplatte) - Kühlung
4. Kupfer-Inlay (integriert) maximaler Querschnitt an jedem Interface. Standard-SMD-Technik hohe Freiheitsgrade beim Design Einsparung an Montageaufwand, Material und Zeit
4. Kupfer-Inlay (integriert) Fertigungsschritte ❶ Präparation der Kupferteile durch Fräsen, Ätzen oder Stanzen, je nach Form, Stückzahl und Größe ❶ ❷ Rahmen fräsen ❷ ❸ Multilayer verpressen ❹ Fertigstellung
4. Kupfer-Inlay (integriert) Beispiel
4. Kupfer-Inlay (integriert) Anbindung: - Schrauben/Klemmen in Tiefenfräsungen - Hochstrom-Einpressstecker (Amphenol) - Bonden - Löten
4. Kupfer-Inlay (integriert) Inlay als Wärme- und Stromdurchführung, Alternative zu eingepresstem Kupfer-Inlay. Vorteile: - Deutlich höhere Zuverlässigkeit bei Verarbeitung und Anwendung - Designfreiheit: Größe und Ort der Pads
4. Kupfer-Inlay (integriert) Allgemeine Design Regeln A Leiterbreite B Abstand 2,0 mm 2,0 mm D B C Kantenabstand 0 mm D Loch im Kupfer 0,8 mm A C
5. Kupfer-Inlay (in Durchkontaktierung / Freistellung) Das untere thermische Interface und der Kühlkörper haben hier einen sehr hohen Thermischen Widerstand. Kupfer kann gut als Wärmespeicher für Peaks dienen.
6. IMS - Insulated Metal Substrate = Singlelayer auf Aluminium-Heat Sink - Dünne Spezial-Isolierung - 10fache Wärmeleitfähigkeit gegenüber FR4, Hauptanwendung: Power-LEDs Grenzen: Leistungsdichten ca. 1 W/mm²
7. Dünnlaminat / Flex auf Metallträger (Heat Sink) Vorteile: - Konstruktionsfreiheit größer - Gehäuse kann Träger sein - Alu preiswerter als Kupfer Hauptanwendung: LED-Kühlung bis ca. 0,1 W/mm² Produktion: Alu-Rahmen
8. Leiterplatten auf Metallträger (Heat Sink) Hauptanwendung: Kühlung von Antriebssteuerungen. THT und beidseitige SMT-Bestückung möglich.
8. Leiterplatten auf Metallträger (Heat Sink) Direktmontage auf Heatsink Aluminium Heatsink: ca. 10 W/mm² Alternativ: Direktmontag auf 400µm Innenlagen
8. Leiterplatten auf Metallträger (Heat Sink) Heatsink mit getrenten Potentialen (1W/mm²) Beispiel: 328 LEDs in Reihe: 300W / Modul
9. Aluminiumkern-Leiterplatten Aufwändige Produktion: Alu Bohren, Füllen, Laminieren, Bohren, DK, Leiterbild - Beidseitig dichte SMD-Bestückung - Einsatz von THT-Bauteilen - Elektrisch / thermisch direkte Anbindung nur in Sonderprozessen
10. Thermische Vias Bis zu 10% Kupfer in der Leiterplatte bis zu 100fache Wärmeleitung gegenüber FR4
10. Thermische Vias Gefüllte Thermovias? Beispiel mit maximaler Anzahl an Thermovias: Das Füllen von Vias ist thermisch nicht sinnvoll
10. Thermische Vias Thermischer Widerstand R th für 1 Via (1,6 mm FR4 mit 25 µm Hülsenstärke) Via-Ø 0,2 mm 0,25 mm 0,3 mm 0,35 mm 0,4 mm 0,5 mm 0,7 mm 1,0 mm > d mm R th für 1 Via 300 K/W 250 K/W 210 K/W 180 K/W 160 K/W 130 K/W 95 K/W 65 K/W 65/d K/W Verbesserung: dünnere Leiterplatte mehrere Vias Grenzen: Viadichte (Ø je mm²) Preis (0,5-1 ct/ø)
10. Thermische Vias Anordnung für maximalen Kupfereintrag: Maß Rasterabstand Fertigloch Ø Kupferschichtdicke Wert 0,50 mm 0,25 mm 25 µm Wirkung: 10% Kupfer in der Leiterplatte = 10 % Wärmeleitfähigkeit von Kupfer Material Kupfer Thermische Vias Sondermaterial FR4 Wärmeleitfähigkeit λ 300 W/mK 30 W/mK 3 W/mK 0,3 W/mK
10. Thermische Vias: Verhindern von Lotabfluss A: Lötstoppmaske... auf der Rückseite gegen Lotausbreitung. B: Alu-Träger: LPs vor dem Löten auf Heatsink laminiert C: Plugging:Füllen Planarisieren und Metallisieren von Vias. A C B D D: Via-Fill: Verschließen der Vias mit Durchsteiger-Lack.
Zusammenfassung Konstruktionen Dickkupfer Wirelaid & Co Einebnen Aluminium IMS Eisberg Heatsink Internes Alu Inlay
Design Faustregel für minimale Leiterbreite & Abstand: Leiterbreite, Abstand 3 x Kupferätztiefe
Design - Kupferbedeckungsgrad Am Beispiel 210 µm Kupfer: 1% Kupfer 10% Kupfer 90% Cu, geflutet Notwendige Harzmenge zum Verfüllen der Gräben: 208 µm 189 µm 21 µm = 10 Prepregs = 9 Prepregs = 2 Prepregs
Design Wahl der Kupferschichtdicken (schematisch) Hot Spot mit Überhitzung Kupfer zu dünn Temperaturgradient Kupferdicke ausgewogen Temperatur gleichmäßig Kupfer unnötig dick (bzw. schlechter Wärmeübergang)
Design Heatsinks und Lüfter verbessern die Kühlung und reduzieren gleichzeitig die Ausdehnung der Wärmespreizung Tipp für die Thermografie: Baugruppen, die flach auf der Tischplatte liegen, sind deutlich kühler als wenn sie frei schweben. (häufige Fehlerquelle!)
Design Verteilung der Wärmequellen (schematisch) Wärmequelle zentral Langer Wärmepfad für die Wärmespreizung Wärmequellen verteilt Wärmepfad ist kürzer und z. B. weniger Kupfer nötig
Design - CNC-Bearbeitung Kupfer ist ein sehr zähes Material. Bohrduchmesser im Dickkupferbereich begrenzt bis 0,8 mm Kupfer: Ø Kupferstärke (AR 1:1) ab 0,8 mm Kupfer: Ø 0,8 mm
4 Fallbeispiele
Beispiele Beispiel 1: IMS für 100 Hochleistungs-LEDs (50W) Temperaturdifferenz zwischen Pad und Kühlkörper: 5 K... aber der Kühlkörper ist viel zu klein, er bewältigt gerade mal 1% der anfallenden Wärmemenge.
Beispiele Beispiel 2: IMS vs. Bilayer mit Thermischen Vias IMS: 1,5/75(2,2)/35 R th, vert., Isolation = 0,44 K/W R th, fr. Konv.+Rad. = 80 K/W FR4 1,6 70/70 + 50 DKs R th, vert. th. Vias = 5 K/W R th, fr. Konv.+Rad. = 80 K/W IMS ist hier nur in Verbindung mit Kühlkörpern sinnvoll.
Beispiele Beispiel 3: ebike Aufgabe: Antriebs-Steuerung für 500 A. Technologie: 210 µm Cu auf Alu Heatsink www.erockit.net Eingegossene Kondensatoren werden mitgekühlt. Jede Heatsink-Konstruktion lässt sich individuell optimieren.
Beispiele Beispiel 4: D2PAK mit 15W Bilayer mit Thermovias 35 µm Cu auf IMS 2x 400 µm Dickkupfer Fläche zu klein, Wärmeübergang zu schlecht. Schaltung für 1 Layer zu komplex Wärmespreizung, großflächiger Wärmeübergang
Beispiele Beispiel 5: Fehlkonstruktion bei LED-Ampel
Material
Material Thermische Materialeigenschaften T g : (Glasübergang): Erweichungspunkt des Harzes T d : (Decomposition): Zersetzungstemperatur (m -5%) T Max : Maximale Betriebstemperatur (Datenblatt) MOT/COT: Max./Continuous Operation Temp. (nach UL) TI: Temperature Index (nach UL, extrapolierte Werte) (Extrapolierte Werte. Gundlage sind 4 beschleunigte Alterungstests. Bewertung: Abnahme von mechanischen und elektr. Größen um 50%.) CTE xy : Therm. Ausdehnungskoeffizient (Lötstellenstress) CTE z : Therm. Ausdehnungskoeffizient (Hülsenstress) t 288 C : Zeit bis Delamination im Lötbad
Material Auswahlkriterium: Thermischer Stress auf Hülsen LP-Dicke FR4 FR4, gefüllt FR5 FR5, gefüllt T g T g T g T g T
Material Hochtemperatur-Basismaterial FR4-Variationen (Auswahl von Isola / Panasonic) T g [ C] Standard FR4 (Dicy Härter) Thermostabil (T d ) (phenol. Härter) halogenfrei Temp.- Wechel stabil (gefüllt) 135 DE 104 (DE 104i) R1755C 150 DE 114 IS 400 R1755M DE 156 R1566W 170 DE 117 IS 410 IS 420 R1755V IS 500
Material Hochtemperatur-Basismaterial Weitere Materialien Material Nelco 4000-13 (FR4 Derivat) Polyimid/Glasgewebe Polyimid flexibel Rogers RO 4350 PTFE Teflon T g 210 C 260 C 260 C > 280 C -100/20/130 C T max 140 C 200 C 180 C 150 C ~ 300 C
Vielen Dank für Ihr Interesse.