03.02.2016www.we-online.de/waermemanagement Seite 1
Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt
Webinar am 2. Februar 2016 Referent: Bert Heinz
www.we-online.de/waermemanagement Seite 2 03.02.2016
Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt
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
www.we-online.de/waermemanagement Seite 3 03.02.2016
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
Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt
Grundlagen Wärmemanagement
www.we-online.de/waermemanagement Seite 4 03.02.2016
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
Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt
Grundlagen Wärmemanagement
www.we-online.de/waermemanagement Seite 5 03.02.2016
Arten der Wärmeleitung
� Konduktion: Weitergabe von Wärmeenergie durch in der Regel feste Körper
� Konvektion: Wärmeübertragung durch Gase und Flüssigkeiten
� Strahlung: Emission von Photonen
Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt
Grundlagen Wärmemanagement
www.we-online.de/waermemanagement Seite 6 03.02.2016
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
Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt
Grundlagen Wärmemanagement
www.we-online.de Seite 7 03.02.2016
Vielfältige Einsatzmöglichkeiten
� LED Technik ���� Leuchtschilder , Display, Beleuchtung
� Automobilindustrie ���� LED Scheinwerfer, Motorsteuerung, Servolenkung
� Leistungselektronik ���� Gleichstromversorgung, Wechselrichter, Motorsteuerung
� Schalter und Halbleiterrelais
Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt
Einsatzmöglichkeiten
www.we-online.de Seite 8 03.02.2016
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
Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt
Aufbau
www.we-online.de 03.02.2016
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
Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt
Aufbau
www.we-online.de Seite 10 03.02.2016
� 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
Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt
Herstellung
www.we-online.de 03.02.2016
Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt
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
www.we-online.de Seite 12 03.02.2016
Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt
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
www.we-online.de/waermemanagement Seite 13 03.02.2016
� 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
www.we-online.de/waermemanagement Seite 14 03.02.2016
Variante 1
Kupfer Lage: 35 µmDielektrikum: 100 µm /1,3 W/mK
Aluminium: 1,5 mm
Layout
Insulated Metal Substrate (IMS) im PorträtSimulation
www.we-online.de/waermemanagement Seite 15 03.02.2016
Variante 1
Insulated Metal Substrate (IMS) im PorträtSimulation
www.we-online.de/waermemanagement Seite 16 03.02.2016
verbessertes Layout
Variante 2
Kupfer Lage: 35 µmDielektrikum: 100 µm / 1,3 W/mK
Aluminium: 1,5 mm
Insulated Metal Substrate (IMS) im PorträtSimulation
www.we-online.de/waermemanagement Seite 17 03.02.2016
Variante 2
Insulated Metal Substrate (IMS) im PorträtSimulation
www.we-online.de/waermemanagement Seite 18 03.02.2016
verbessertes Layout
Variante 3
Kupfer Lage: 35 µmDielektrikum: 100 µm / 2,2 W/mK
Aluminium: 1,5 mm
Insulated Metal Substrate (IMS) im PorträtSimulation
www.we-online.de/waermemanagement Seite 19 03.02.2016
Variante 3
Insulated Metal Substrate (IMS) im PorträtSimulation
www.we-online.de/waermemanagement Seite 20 03.02.2016
verbessertes Layout
Variante 4
Kupfer Lage: 105 µmDielektrikum: 100 µm / 2,2 W/mK
Aluminium: 1,5 mm
Insulated Metal Substrate (IMS) im PorträtSimulation
www.we-online.de/waermemanagement Seite 21 03.02.2016
Variante 4
Insulated Metal Substrate (IMS) im PorträtSimulation
www.we-online.de/waermemanagement Seite 22 03.02.2016
verbessertes Layout
Variante 5
Kupfer Lage: 105 µmDielektrikum: 100 µm / 3,0 W/mK
Aluminium: 1,5 mm
Insulated Metal Substrate (IMS) im PorträtSimulation
www.we-online.de/waermemanagement Seite 23 03.02.2016
Variante 5
Insulated Metal Substrate (IMS) im PorträtSimulation
www.we-online.de/waermemanagement Seite 24 03.02.2016
Variante 5
Variante 1 Variante 2 Variante 3
Variante 4
Insulated Metal Substrate (IMS) im PorträtSimulation
www.we-online.de/waermemanagement Seite 25 03.02.2016
verbessertes LayoutHeatsink umlaufend
3mm vergrößert
Variante 6
Kupfer Lage: 35 µmDielektrikum: 100 µm / 2,2 W/mK
Aluminium: 1,5 mm
Insulated Metal Substrate (IMS) im PorträtSimulation
www.we-online.de/waermemanagement Seite 26 03.02.2016
Variante 6
Insulated Metal Substrate (IMS) im PorträtSimulation
www.we-online.de/waermemanagement Seite 27 03.02.2016
Insulated Metal Substrate (IMS) im PorträtSimulation
Kupfer Lage: 35 µmFR 4: 1500 µm / 0,3 W/mK
Vergleich FR4
www.we-online.de Seite 28 03.02.2016
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
Insulated Metal Substrate (IMS) im Porträt