Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt - we-online.de · Seite 10 03.02.2016 Rohmaterial auswählen, Aluminium oder Kupfer, in seltenen Fällen auch Edelstahl Material vorreinigen

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Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt

Webinar am 2. Februar 2016 Referent: Bert Heinz

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2. Februar 2016 I 09.30 UhrInsulated Metal Substrate (IMS)

im Porträt

Motorsteuerung, Stromumwandlung und LED-Technik – Anwendungen, bei denen es heiß hergeht. Gerade hier ist es unabdingbar, eine Entwärmungder Bauteile zu gewährleisten, um somit die Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Eine mögliche Lösung ist der Einsatz von IMS-Leiterplatten.

In diesem Webinar zeigen wir Ihnen: � Grundlagen und Designparameter � Welche Materialien können eingesetzt werden � Wie können Sie mittels thermischer Simulation das PCB-Layout

optimal gestalten


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

Leiterplatte spielt bei der Erarbeitung eines effizienten

Wärmemanagementkonzeptes eine wichtige Rolle


Grundlagen Wärmemanagement


System aus Bauelement, � 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




Arten der Wärmeleitung

� Konduktion: Weitergabe von Wärmeenergie durch in der Regel feste Körper

� Konvektion: Wärmeübertragung durch Gase und Flüssigkeiten

� Strahlung: Emission von Photonen




Leiterplatte ohne 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

PROBLEM

KONZEPT

ERGEBNIS Leiterplatte mit erfolgreichen Wärmemanagement



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Vielfältige Einsatzmöglichkeiten

� LED Technik �� Leuchtschilder , Display, Beleuchtung

� Automobilindustrie �� LED Scheinwerfer, Motorsteuerung, Servolenkung

� Leistungselektronik �� Gleichstromversorgung, Wechselrichter, Motorsteuerung

� Schalter und Halbleiterrelais


Einsatzmöglichkeiten


Typischer Aufbau

Kupferfolie

IsolationsschichtIn der Regel aus Prepreg oder thermisch leitenden Harzsystemen

MetallträgerIn der Regel aus Aluminium, Kupfer oder Edelstahl

Als fertiges Substrat erhältlich oder individuell aus den einzelnen Komponenten aufgebaut

KupferkaschierungIsolationsschichtAluminiumträger


Aufbau

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Wärmequelle

Kupferfolie

IsolationsschichtPolymer / Keramik

Aluminiumträger

� 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


Aufbau


� 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


Herstellung

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Design Parameter

Hersteller Bergquist; Laird; Arlon; DENKA; Ventec; KinWongTrägermaterial Aluminium; Kupfer; Edelstahl

Metalltyp Aluminium: 1100H14, 5052H34, 6061T6

Kupfer: C1100, C1220Edelstahl: SUS430

PanelgrößeNormal: 600*457 mm

Maximal: 1200*550 mmLeiterplattendicke 0,4 - 3,2 mm

Toleranz Leiterplattendicke +/- 0,10 mmStandard Metall Dicke 0,3mm; 0,4mm; 0,5mm; 0,6mm; 0,8mm; 1,0mm; 1,2mm; 1,5mm; 2,0mm; 2,5mm; 3,0mmIsolationsschicht Dicke 0,05 ~ 0,20 mm

Wärmeleitwert 1 W/mK ~ 8 W/mKDurchschlagsfestigkeit 6 kV AC

Kupferdicke 18 µm; 35 µm; 70 µm; 105 µm



Design Parameter

Leiterbahnbreite >=150 µmLeiterbahn Leiterbahnabstand >=150 µm

Enddurchmesser 0,5 mm ~ 6 mmBohrungstoleranz +/- 0,075 mm

Bohrmaße Positionstoleranz Bohrung +/- 0,10 mmAspect Ratio 5 : 2

Lötstoppmaskensteg >=100 µmLötstoppmaskenfreistellung >=50 µm

Lötstoppmaske Viafreistellung >=100µmLeiterbahnabdeckung 50 µmToleranz Außenkontur +/- 0,10 mm

Außenkontur max. Außenmaße Länge: 1200 mm Breite: 530 mmEndoberfläche HAL; LF-Hal; OSP; ENIG; Imersion Silver; Immersion Tin; ENEPIG


� Leiterplatte Größe 42 x 42 mm

� Verlustleistung LED 3W

� Umgebungstemperatur 20 °C

� Leiterplatte senkrecht freistehend im Labor

� Wärmeübertragung zur Luft 12 W/m²K

Insulated Metal Substrate (IMS) im PorträtSimulation


Variante 1

Kupfer Lage: 35 µmDielektrikum: 100 µm /1,3 W/mK

Aluminium: 1,5 mm

Layout



Variante 1



verbessertes Layout

Variante 2

Kupfer Lage: 35 µmDielektrikum: 100 µm / 1,3 W/mK

Aluminium: 1,5 mm



Variante 2



verbessertes Layout

Variante 3


Aluminium: 1,5 mm



Variante 3



verbessertes Layout

Variante 4


Aluminium: 1,5 mm



Variante 4



verbessertes Layout

Variante 5


Aluminium: 1,5 mm



Variante 5



Variante 5

Variante 1 Variante 2 Variante 3

Variante 4



verbessertes LayoutHeatsink umlaufend

3mm vergrößert

Variante 6


Aluminium: 1,5 mm



Variante 6




Kupfer Lage: 35 µmFR 4: 1500 µm / 0,3 W/mK

Vergleich FR4


Welche Faktoren beeinflussen den Preis?

� Markenlaminate sind teurer gegenüber eigenproduzierten Laminaten� Kupfer ist teurer gegenüber Aluminium� Je höher der Wärmeleitwert des Materials desto höher der Preis� Je dicker das Dielektrikum, je teurer die Leiterplatte� Der Liefernutzen des Kunden sollte an die beste Auslastung des

Produzenten angepasst werden� Konturen sollen wenn möglich immer gestanzt oder gekerbt werden,

Fräsen ist aufwendiger und daher teurer � Gewinde, Senkungen und Tiefenfräsungen im Metall erhöhen den Preis


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