Aluminium in der Leiterplatte - andus.de · Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Aluminium in Leiterplatten, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS Zusammenfassung

Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elekt ronikfertigung Aluminium in Leiterplatten, Dr. Chris toph Lehnberger, ANDUS

Aluminium in der Leiterplatte

Fremdkörper oder Nutzbringer?

Dr. Christoph Lehnberger, Projektmanager

- Berlin

www.andus.de

19. FED-Konferenz, Würzburg, 15. September 2011


Inhalt

1 Vergleich von Aluminium und Kupfer

2 Heatsink & Co

3 Kabel

4 Aluminiumleiter in flexible Leiterplatten

5 Hochstromanwendungen


1 Vergleich Aluminium Kupfer

Gewinnung

Bauxit Kupfererz

Reinigung Verhüttung

Elektrolyse Elektrolyse

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 2035.

(häufigstes Metall)

Preis

2 €/kg oder 5 €/dm³ 7 €/kg = 60 €/dm³

Rotschlamm



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.



CTExy

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 Verwölben von Cu-FR4-VerbundAlSi25: 17 ppm/K durch Aushärten von Prepregs

Alu dominiert

FR4 dominiert


2 Heatsink & Co

Heatsink = Wärmesenke, Isotherme, Kühlblech, Kühlkö rper

Metallteil mit direktem Kontakt zur Wärmequelle, zur Wärmeableitung.(Wärmeleitung ist sehr viel effektiver als Wärmeübergang an die Luft)

Je nach Anwendungfindet man sehr unterschiedlicheHeatsink-Typen

Aluminium-Isotherme

Wärmetransport


2 Heatsink & Co

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.


2 Heatsink & Co

Heatsinks für heutige SMD-Baugruppen

Alu/Kupfer-Blech oder Gehäuse als unterklebte Wärmesenke

Bauteilkühlung durch Direktmontage vonthermischen Vias Halbleiter auf Heatsink

THT-Bestückung oder TIM: thermisches Lagen zurKontaktierung von unten Interface-Material Wärmespreizung


2 Heatsink & Co

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

2 Heatsink & Co


Multilayer SchwarzoxidKupferplatte 1 mm

Rahmentechnik

Beispiel mit Kupfer: Chip-Direktmontage auf Heatsink

2 Heatsink & Co


Beispiel: 328 LEDs in Reihe: 300W / Modul

Problem:IMS Material nicht gut genug.AlN-Keramik zu teuer

Rahmentechnik

Heatsink mit getrenten Potentialen für Chips mit Rückseitenkontakt

2 Heatsink & Co


Einseitiges Heatsink

IMS - Insulated Metal Substrate

LeiterbildIsolationHeatsink

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 KDicke: 38 µm < ? µm

2 Heatsink & Co

Aluminium-Wärmesenke



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.

2 Heatsink & Co



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.

2 Heatsink & Co



Dünne flexible Leiterplatten

auf Aluminiumträger

Für einfache SMD-LEDs

mittlerer Leistungsklasse

LED

Flex-LP

Kleber

Alu

2 Heatsink & Co



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 o ptimieren.

2 Heatsink & Co

www.erockit.net


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.

2 Heatsink & Co


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

3 Kabel


Bekanntestes Beispiel:

Herstellung:

- Bedrucken mit permanentem Ätzresist

- Alkalisches Ätzen

Wärmeerzeugende Reaktion, Wasserstoffentwicklung

nicht kompatibel mit herkömmlicher Leiterplattentechnik

4 Aluminiumleiter in flexible Leiterplatten



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


Vorteile der Hochstromleiterplatte

maximaler Querschnitt an jedem Interface.

Standard-SMD-Bestückung

hohe Freiheitsgrade beim Design

Einsparung an Montageaufwand, -material und -zeit



Fertigungsschritte für die Hochstromleiterplatte

Präparation von Kupferteilendurch Fräsen, Ätzen, Stanzenje nach Form, Stückzahl und Größe

Rahmen fräsen

Multilayer verpressen

Fertigstellung



Beispiel



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



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


Vielen Dank für Ihr Interesse.

Ihre Fragen und Anwendungen?

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