Leiterplatten für hohe Leistungen, Ströme und Temperaturen · Dr. C. Lehnberger Andus Electronic...
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Dr. C. LehnbergerAndus ElectronicOktober 2012
Leiterplatten für hohe Leistungen, Ströme und Temperaturen
• Präambel
• Konstruktion & Design
• Beispiele
• Material
Dr. Christoph Lehnberger
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Präambel
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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
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Konstruktion & Design
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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 .
Konstruktion & Design
1. Wärmespreizung
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Kupferflächen sind unterbrochen durch Antipads und Potentialtrennungen
� Masselagen verschachteln:
� im HDI-Aufbau berücksichtigen: � Bei der Kalkulation berücksichtigen
1. Wärmespreizung auf Masselagen
Konstruktion & Design
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1. Wärmespreizung auf Masselagen
Einseitige Leiterplatte,lokale Hotspots bei THT-Bauteilen
Multilayer mitVerteilung der Wärme auf den Kupferlagen.
Konstruktion & Design
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2. Dickkupfer-Leiterplatten
����
Maximaler Kupferanteil !Feinleiter?Isolation?
Lunker?
Konstruktion & Design
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Konstruktion & Design
Beispiel mit 70, 105 und 210 µm Kupfer
2. Dickkupfer-Leiterplatten
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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
Konstruktion & Design
2. Dickkupfer-Leiterplatten
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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
Konstruktion & Design
2. Dickkupfer-Leiterplatten
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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
Konstruktion & Design
(Fa. ANDUS, Fa. KSG)
A
B
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Beispiel
Konstruktion & Design
3a. Selektiv Dickkupfer: Eisbergtechnik
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Drahtgeschriebene Leiterplatte: (Fa. Jumatech/Schweizer* vs. Fa. Häusermann**)
* *
**
Konstruktion & Design
3b. Selektiv Dickkupfer: Wirelaid
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(Fa. Schweizer Elektronik)
Konstruktion & Design
3c. Selektiv Dickkupfer: Kupferstärken kombiniert
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4. Kupfer-Inlay (integriert)
Einbetten von 1 - 3 mm Dickkupfer für - hohe Ströme (Hochstromleiterplatte)- Kühlung
Konstruktion & Design
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Konstruktion & Design
4. Kupfer-Inlay (integriert)
� maximaler Querschnitt an jedem Interface.
� Standard-SMD-Technik
� hohe Freiheitsgrade beim Design
� Einsparung an Montageaufwand, Material und Zeit
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Fertigungsschritte
� Präparation der Kupferteiledurch Fräsen, Ätzen oderStanzen, je nach Form, Stückzahl und Größe
� Rahmen fräsen
� Multilayer verpressen
� Fertigstellung
�
�
Konstruktion & Design
4. Kupfer-Inlay (integriert)
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Beispiel
Konstruktion & Design
4. Kupfer-Inlay (integriert)
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Anbindung: - Schrauben/Klemmen
in Tiefenfräsungen- Hochstrom-Einpressstecker
(Amphenol)- Bonden- Löten
Konstruktion & Design
4. Kupfer-Inlay (integriert)
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Inlay als Wärme- und Stromdurchführung, Alternative zu eingepresstem Kupfer-Inlay.
Vorteile:- Deutlich höhere Zuverlässigkeit
bei Verarbeitung und Anwendung- Designfreiheit: Größe und Ort der Pads
Konstruktion & Design
4. Kupfer-Inlay (integriert)
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► 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
Konstruktion & Design
4. Kupfer-Inlay (integriert)
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Konstruktion & Design
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.
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6. IMS - Insulated Metal Substrate
- Dünne Spezial-Isolierung- 10fache Wärmeleitfähigkeit gegenüber FR4,
Hauptanwendung: Power-LEDs
Grenzen: Leistungsdichten ca. 1 W/mm²
Konstruktion & Design
= Singlelayer auf Aluminium-Heat Sink
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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
Konstruktion & Design
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8. Leiterplatten auf Metallträger (Heat Sink)
Konstruktion & Design
Hauptanwendung: Kühlung von Antriebssteuerungen.THT und beidseitige SMT-Bestückung möglich.
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Direktmontage auf Heatsink
Aluminium Heatsink: ca. 10 W/mm²
Alternativ: Direktmontag auf 400µm Innenlagen
Konstruktion & Design
8. Leiterplatten auf Metallträger (Heat Sink)
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Heatsink mit getrenten Potentialen (1W/mm²)
Konstruktion & Design
8. Leiterplatten auf Metallträger (Heat Sink)
Beispiel: 328 LEDs in Reihe: 300W / Modul
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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
Konstruktion & Design
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10. Thermische Vias
Bis zu 10% Kupfer in der Leiterplatte� bis zu 100fache Wärmeleitung gegenüber FR4
Konstruktion & Design
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Gefüllte Thermovias?
Beispiel mit maximaler Anzahl an Thermovias:
� Das Füllen von Vias ist thermisch nicht sinnvoll
Konstruktion & Design
10. Thermische Vias
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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)
Konstruktion & Design
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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
Konstruktion & Design
3 W/m�KSondermaterial0,3 W/m�KFR4
30 W/m�KThermische Vias300 W/m�KKupferWärmeleitfähigkeit λ λ λ λ Material
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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
Konstruktion & Design
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Aluminium
IMS Heatsink
Internes Alu
Wirelaid& Co
Dick-kupfer
Einebnen
Eisberg
Inlay
Zusammenfassung Konstruktionen
Konstruktion & Design
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Design
Konstruktion & Design
Faustregel für minimale Leiterbreite & Abstand:
Leiterbreite, Abstand ≥ 3 x Kupferätztiefe
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Design - Kupferbedeckungsgrad
Konstruktion & Design
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
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Wahl der Kupferschichtdicken (schematisch)
Hot Spot mitÜberhitzung
Kupferzu dünn
Temperatur-gradient
Kupferdickeausgewogen
Temperaturgleichmäßig
Kupfer unnötig dick(bzw. schlechterWärmeübergang)
Konstruktion & Design
Design
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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!)
Konstruktion & Design
Design
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Verteilung der Wärmequellen (schematisch)
Wärmequellen verteilt
Wärmepfad ist kürzer undz. B. weniger Kupfer nötig
Wärmequelle zentral
Langer Wärmepfad fürdie Wärmespreizung
Konstruktion & Design
Design
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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
Konstruktion & Design
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4 Fallbeispiele
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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
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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.
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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
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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
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Beispiele
Beispiel 5: Fehlkonstruktion bei LED-Ampel
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Material
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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
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Material
T
LP-D
icke
Auswahlkriterium: Thermischer Stress auf Hülsen
Tg Tg Tg Tg
FR4
„FR5“
FR4,gefüllt
„FR5“,gefüllt
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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]
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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
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Vielen Dank für Ihr Interesse.