Leiterplatten für hohe Leistungen, Ströme und … · Dr. C. Lehnberger Andus Electronic Oktober 2012 Leiterplatten für hohe Leistungen, Ströme und Temperaturen • Präambel •

Dr. C. LehnbergerAndus ElectronicOktober 2012

Leiterplatten für hohe Leistungen, Ströme und Temperaturen

• Präambel

• Konstruktion & Design

• Beispiele

• Material

Dr. Christoph Lehnberger


Präambel


Die Wärmeleitung ist umso besser,

- §1 - je größer die Querschnittsfläche

- §2 - je kürzer der Wärmepfad und

- §3 - je besser die Wärmeleitfähigkeit

Je drängender das Temperaturproblem, desto strenger sind die 3 Paragraphen anzuwenden.

Die 3 Naturgesetze der Wärmeleitung

Präambel

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x 1000


Konstruktion & Design


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


Kupferflächen sind unterbrochen durch Antipads und Potentialtrennungen

� Masselagen verschachteln:

� im HDI-Aufbau berücksichtigen: � Bei der Kalkulation berücksichtigen

1. Wärmespreizung auf Masselagen



1. Wärmespreizung auf Masselagen

Einseitige Leiterplatte,lokale Hotspots bei THT-Bauteilen

Multilayer mitVerteilung der Wärme auf den Kupferlagen.



2. Dickkupfer-Leiterplatten

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Maximaler Kupferanteil !Feinleiter?Isolation?

Lunker?




Beispiel mit 70, 105 und 210 µm Kupfer



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 µm400 µm

1 mm ...Toleranzen beachten. Nach IPC 6012 sind geringere End-Dicken (innen / außen) zulässig:

35 µm � 25 / 46 µm 105 µm � 91 / 107 µm70 µm � 56 / 76 µm 140 µm � 122 / 137 µm




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

Auf der Außenlage sollen zwei verschiedene Kupferstärken kombiniert werden:

(A) 210 µm zur Wärmespreizung (B) 50 µm für ein fine-pitch QFP-Bauteil


(Fa. ANDUS, Fa. KSG)

A

B


Beispiel


3a. Selektiv Dickkupfer: Eisbergtechnik


Drahtgeschriebene Leiterplatte: (Fa. Jumatech/Schweizer* vs. Fa. Häusermann**)

* *

**


3b. Selektiv Dickkupfer: Wirelaid


(Fa. Schweizer Elektronik)


3c. Selektiv Dickkupfer: Kupferstärken kombiniert


4. Kupfer-Inlay (integriert)

Einbetten von 1 - 3 mm Dickkupfer für - hohe Ströme (Hochstromleiterplatte)- Kühlung





� maximaler Querschnitt an jedem Interface.

� Standard-SMD-Technik

� hohe Freiheitsgrade beim Design

� Einsparung an Montageaufwand, Material und Zeit


Fertigungsschritte

� Präparation der Kupferteiledurch Fräsen, Ätzen oderStanzen, je nach Form, Stückzahl und Größe

� Rahmen fräsen

� Multilayer verpressen

� Fertigstellung

�

�




Beispiel




Anbindung: - Schrauben/Klemmen

in Tiefenfräsungen- Hochstrom-Einpressstecker

(Amphenol)- Bonden- Löten




Inlay als Wärme- und Stromdurchführung, Alternative zu eingepresstem Kupfer-Inlay.

Vorteile:- Deutlich höhere Zuverlässigkeit

bei Verarbeitung und Anwendung- Designfreiheit: Größe und Ort der Pads




► Allgemeine Design Regeln

A Leiterbreite ≥ 2,0 mm

B Abstand ≥ 2,0 mm

C Kantenabstand ≥ 0 mm

D Loch im Kupfer ≥ 0,8 mm

DD

BB

AA

CC





5. Kupfer-Inlay (in Durchkontaktierung / Freistellung)

Das untere thermische Interface und der Kühlkörperhaben hier einen sehr hohen Thermischen Widerstand.Kupfer kann gut als Wärmespeicher für Peaks dienen.


6. IMS - Insulated Metal Substrate

- Dünne Spezial-Isolierung- 10fache Wärmeleitfähigkeit gegenüber FR4,

Hauptanwendung: Power-LEDs

Grenzen: Leistungsdichten ca. 1 W/mm²


= Singlelayer auf Aluminium-Heat Sink


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.


Direktmontage auf Heatsink

Aluminium Heatsink: ca. 10 W/mm²

Alternativ: Direktmontag auf 400µm Innenlagen




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



Gefüllte Thermovias?

Beispiel mit maximaler Anzahl an Thermovias:

� Das Füllen von Vias ist thermisch nicht sinnvoll


10. Thermische Vias


10. Thermische Vias

65 K/W1,0 mm

160 K/W0,4 mm

130 K/W0,5 mm

95 K/W0,7 mm

250 K/W0,25 mm

210 K/W0,3 mm

65/d K/W> d mm

180 K/W0,35 mm

300 K/W0,2 mm

Rth für 1 ViaVia-Ø

Thermischer Widerstand Rth für 1 Via (1,6 mm FR4 mit 25 µm Hülsenstärke)

Verbesserung:• dünnere Leiterplatte• mehrere Vias

Grenzen:• Viadichte (Ø je mm²)• Preis (0,5-1 ct/Ø)



10. Thermische Vias

Anordnung für maximalen Kupfereintrag:

Wirkung:10% Kupfer in der Leiterplatte =10 % Wärmeleitfähigkeit von Kupfer

25 µmKupferschichtdicke

0,25 mmFertigloch Ø

0,50 mmRasterabstand

WertMaß


3 W/m�KSondermaterial0,3 W/m�KFR4

30 W/m�KThermische Vias300 W/m�KKupferWärmeleitfähigkeit λ λ λ λ Material


A: Lötstoppmaske ...auf der Rückseite gegen Lotausbreitung.

B: Alu-Träger: LPsvor dem Löten aufHeatsink laminiert

C: Plugging:Füllen Planarisieren und Metallisieren von Vias.

D: Via-Fill:Verschließen der Vias mit Durchsteiger-Lack.

10. Thermische Vias: Verhindern von Lotabfluss

A B

DC



Aluminium

IMS Heatsink

Internes Alu

Wirelaid& Co

Dick-kupfer

Einebnen

Eisberg

Inlay

Zusammenfassung Konstruktionen



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


Wahl der Kupferschichtdicken (schematisch)

Hot Spot mitÜberhitzung

Kupferzu dünn

Temperatur-gradient

Kupferdickeausgewogen

Temperaturgleichmäßig

Kupfer unnötig dick(bzw. schlechterWärmeübergang)


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)

Wärmequellen verteilt

Wärmepfad ist kürzer undz. B. weniger Kupfer nötig

Wärmequelle zentral

Langer Wärmepfad fürdie Wärmespreizung


Design


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


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

Rth, vert., Isolation = 0,44 K/WRth, fr. Konv.+Rad.= 80 K/W

FR4 1,6 70/70 + 50 DKs

Rth, vert. th. Vias = 5 K/WRth, fr. Konv.+Rad.= 80 K/W

Beispiele

IMS ist hier nur in Verbindung mit Kühlkörpern sinnvoll.


Beispiel 3: eBike

Beispiele

Aufgabe: Antriebs-Steuerung für 500 A.

Technologie: 210 µm Cu auf Alu Heatsink

Eingegossene Kondensatoren werden mitgekühlt.

�� Jede Heatsink-Konstruktion lässt sich individuell optimieren.

www.erockit.net


Beispiele

Beispiel 4: D2PAK mit 15W

Bilayer mitThermovias

35 µm Cuauf IMS

2x 400 µmDickkupfer

Fläche zu klein,Wärmeübergang

zu schlecht.

Schaltung für1 Layer zukomplex

Wärmespreizung,großflächiger

Wärmeübergang


Beispiele

Beispiel 5: Fehlkonstruktion bei LED-Ampel


Material


Thermische Materialeigenschaften

Tg: (Glasübergang): Erweichungspunkt des Harzes

Td: (Decomposition): Zersetzungstemperatur (m�-5%)

TMax: 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%.)

CTExy: Therm. Ausdehnungskoeffizient (Lötstellenstress)

CTEz: Therm. Ausdehnungskoeffizient (Hülsenstress)

t288°C: Zeit bis Delamination im Lötbad

Material


Material

T

LP-D

icke

Auswahlkriterium: Thermischer Stress auf Hülsen

Tg Tg Tg Tg

FR4

„FR5“

FR4,gefüllt

„FR5“,gefüllt


Hochtemperatur-BasismaterialFR4-Variationen (Auswahl von Isola / Panasonic)

Material

IS 500IS 420R1755V

IS 410DE 117170

DE 156R1566W

IS 400R1755M

DE 114150

R1755C(DE 104i)DE 104135

halogen-frei

Temp.-Wechelstabil(gefüllt)

Thermo-stabil (Td)(phenol. Härter)

StandardFR4(Dicy Härter)

Tg[°C]


Hochtemperatur-Basismaterial

180 °C260 °CPolyimid flexibel

140 °C210 °CNelco 4000-13 (FR4 Derivat)

150 °C> 280 °CRogers RO 4350

200 °C260 °CPolyimid/Glasgewebe

~ 300 °C-100/20/130 °CPTFE Teflon

TmaxTgMaterial

Material

Weitere Materialien


Vielen Dank für Ihr Interesse.

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