Aluminium in der Leiterplatte
Aluminium in der Leiterplatte
Aluminium in der Leiterplatte
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
19. FED-Konferenz, Würzburg, 15. September 2011<br />
<strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Leiterplatte</strong><br />
Fremdkörper o<strong>der</strong> Nutzbr<strong>in</strong>ger?<br />
Dr. Christoph Lehnberger,<br />
Projektmanager<br />
www.andus.de<br />
- Berl<strong>in</strong><br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS<br />
Inhalt<br />
1 Vergleich von <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> und Kupfer<br />
2 Heats<strong>in</strong>k & Co<br />
3 Kabel<br />
4 <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong>leiter <strong>in</strong> flexible <strong>Leiterplatte</strong>n<br />
5 Hochstromanwendungen<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS
1 Vergleich <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> �� �� �� �� Kupfer<br />
Gew<strong>in</strong>nung<br />
Bauxit Kupfererz<br />
Re<strong>in</strong>igung � Verhüttung<br />
Elektrolyse Elektrolyse<br />
Primärenergieverbrauch<br />
150 kWh/kg Aufbereitung 20 kWh/kg für Erzaufarbeitung<br />
15 kWh/kg Elektrolyse 0,3 kWh/kg Elektrolyse<br />
Ressourcen, Verfügbarkeit<br />
Preis<br />
8% <strong>der</strong> Erdkruste Offene Mienen reichen bis 2035.<br />
(häufigstes Metall)<br />
Rotschlamm<br />
2 €/kg o<strong>der</strong> 5 €/dm³ 7 €/kg = 60 €/dm³<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS<br />
1 Vergleich <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> �� �� �� �� Kupfer<br />
Elektrische Leitfähigkeit<br />
Al 99,5: σ -1 = 2,7 µΩ cm σ -1 = 1,7 µΩ cm (-40%)<br />
Thermische Leitfähigkeit<br />
Al 99,5: λ = 220 W/mK λ = 385 W/mK (-40%)<br />
Dichte<br />
Al 99,5: ρ = 2700 kg/m³ ρ = 8900 kg/m³ (× 3,3)<br />
� E<strong>in</strong> Alu-Kabel wiegt nur halb so viel wie e<strong>in</strong> Kupferkabel von<br />
gleichem Wi<strong>der</strong>stand bzw. gleicher Stromtragfähigkeit.<br />
� Die Metallkosten für e<strong>in</strong> Kabel gleicher Stromtragfähigkeit s<strong>in</strong>d bei<br />
Kupfer 5fach höher als bei <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong>.<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS
1 Vergleich <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> �� �� �� �� Kupfer<br />
CTE xy<br />
Al 99,5: 24 ppm/K 16,6 ppm/K<br />
FR4: 16 ppm/K<br />
� Verwölbung im Schichtverbund<br />
(Bimetalleffekt), wenn ke<strong>in</strong>es<br />
<strong>der</strong> Materialien dom<strong>in</strong>iert.<br />
(E-Moduln, Stärken, Symmetrie)<br />
Alu dom<strong>in</strong>iert<br />
FR4 dom<strong>in</strong>iert<br />
AlGrafit: 8 ppm/K Verwölben von Cu-FR4-Verbund<br />
AlSi25: 17 ppm/K durch Aushärten von Prepregs<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS<br />
2 Heats<strong>in</strong>k & Co<br />
Heats<strong>in</strong>k = Wärmesenke, Isotherme, Kühlblech, Kühlkörper<br />
Metallteil mit direktem Kontakt zur Wärmequelle, zur Wärmeableitung.<br />
(Wärmeleitung ist sehr viel effektiver als Wärmeübergang an die Luft)<br />
Je nach Anwendung<br />
f<strong>in</strong>det man sehr<br />
unterschiedliche<br />
Heats<strong>in</strong>k-Typen<br />
Wärmetransport<br />
<strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong>-Isotherme<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS
2 Heats<strong>in</strong>k & Co<br />
Heats<strong>in</strong>k <strong>in</strong> <strong>der</strong> historischen Def<strong>in</strong>ition<br />
Eloxiertes <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> / Kupfer-Blech = <strong>in</strong>dividueller, flacher Kühlkörper<br />
Thermische Anb<strong>in</strong>dung <strong>der</strong> heißen THT-Bauteile über direkten Kontakt,<br />
nicht über die P<strong>in</strong>s � <strong>Leiterplatte</strong> � Kleber � Heats<strong>in</strong>k.<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS<br />
2 Heats<strong>in</strong>k & Co<br />
Heats<strong>in</strong>ks für heutige SMD-Baugruppen<br />
Alu/Kupfer-Blech o<strong>der</strong> Gehäuse als unterklebte Wärmesenke<br />
Bauteilkühlung durch Direktmontage von<br />
thermischen Vias Halbleiter auf Heats<strong>in</strong>k<br />
THT-Bestückung o<strong>der</strong> TIM: thermisches Lagen zur<br />
Kontaktierung von unten Interface-Material Wärmespreizung<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS
2 Heats<strong>in</strong>k & Co<br />
Heats<strong>in</strong>ks für heutige SMD-Baugruppen<br />
Beispiel: Industrie-PC im <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong>druckgussgehäuse<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS<br />
2 Heats<strong>in</strong>k & Co<br />
Rahmentechnik<br />
Chip-Direktmontage auf Heats<strong>in</strong>k<br />
3mm Kupfer-Heats<strong>in</strong>k<br />
Neue Version mit Alu-Heats<strong>in</strong>k<br />
1.<br />
Bestückung mit 96 Hochleistungs-Peltier-Elementen<br />
�<br />
Quelle: elektroniknet.de<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS
2 Heats<strong>in</strong>k & Co<br />
Rahmentechnik<br />
Beispiel mit Kupfer: Chip-Direktmontage auf Heats<strong>in</strong>k<br />
Multilayer Schwarzoxid<br />
Kupferplatte 1 mm<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS<br />
2 Heats<strong>in</strong>k & Co<br />
Rahmentechnik<br />
Heats<strong>in</strong>k mit getrenten Potentialen � für Chips mit Rückseitenkontakt<br />
Beispiel:<br />
328 LEDs <strong>in</strong> Reihe:<br />
300W / Modul<br />
Problem:<br />
IMS Material nicht gut genug.<br />
AlN-Keramik zu teuer<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS
2 Heats<strong>in</strong>k & Co<br />
E<strong>in</strong>seitiges Heats<strong>in</strong>k<br />
IMS - Insulated Metal Substrate<br />
Leiterbild<br />
Isolation<br />
Heats<strong>in</strong>k<br />
<strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong>-Wärmesenke<br />
Spezial-Isolierung:<br />
- bis 10fache Wärmeleitfähigkeit vs. FR4<br />
- für 1W-LEDs weit verbreitet.<br />
Höchstleistungsmaterial (nicht frei erhältlich):<br />
HPL von Bergquist ANDUS (R&D)<br />
Leitfähigk. 3 W/m K ? W/m K<br />
Dicke: 38 µm < ? µm<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS<br />
2 Heats<strong>in</strong>k & Co<br />
E<strong>in</strong>seitiges Heats<strong>in</strong>k<br />
Beispiel: IMS für 100 Hochleistungs-LEDs a 0,5W, 40x40 mm.<br />
- Temperaturdifferenz zwischen Pad und Kühlkörper: 5 K<br />
- Temperaturdifferenz zwischen Kühlkörper und Luft ist 500K!<br />
� <strong>der</strong> Kühlkörper ist nur für Impuls-Betrieb ausreichend groß.<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS
2 Heats<strong>in</strong>k & Co<br />
E<strong>in</strong>seitiges Heats<strong>in</strong>k<br />
Heats<strong>in</strong>k reicht für die Kühlpads <strong>der</strong> Bauteile bis an die Oberfläche.<br />
- Heats<strong>in</strong>k ohne Isolationsschicht<br />
- Standard SMD-Bestückungsprozess<br />
- Auch <strong>in</strong> Alu denkbar. Zum Löten s<strong>in</strong>d<br />
Oberflächen im Son<strong>der</strong>prozess nötig.<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS<br />
2 Heats<strong>in</strong>k & Co<br />
E<strong>in</strong>seitiges Heats<strong>in</strong>k<br />
Dünne flexible <strong>Leiterplatte</strong>n<br />
auf <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong>träger<br />
Für e<strong>in</strong>fache SMD-LEDs<br />
mittlerer Leistungsklasse<br />
LED<br />
Flex-LP<br />
Kleber<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS<br />
Alu
2 Heats<strong>in</strong>k & Co<br />
E<strong>in</strong>seitiges Heats<strong>in</strong>k<br />
Anwendungsbeispiel: eBike<br />
Aufgabe: Antriebs-Steuerung für 500 A.<br />
Technologie: 210 µm Cu auf Alu Heats<strong>in</strong>k<br />
www.erockit.net<br />
In Kühlkörper e<strong>in</strong>gegossene Kondensatoren werden mitgekühlt.<br />
���� Jede Heats<strong>in</strong>k-Konstruktion lässt sich <strong>in</strong>dividuell optimieren.<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS<br />
2 Heats<strong>in</strong>k & Co<br />
Metallkern als Heats<strong>in</strong>k<br />
<strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong>kern-<strong>Leiterplatte</strong>n, Metallkernleiterplatten (im engeren S<strong>in</strong>ne)<br />
Gegenüber externem Heats<strong>in</strong>k relativ aufwändige Produktion:<br />
Alu bohren, Pluggen, Lam<strong>in</strong>ieren, Bohren, DK, Leiterbild<br />
- Beidseitig dichte SMD-Bestückung möglich<br />
- E<strong>in</strong>satz von THT-Bauteilen möglich (Lötprozess angepasst)<br />
- Elektrische und thermisch direkte Anb<strong>in</strong>dung nur <strong>in</strong><br />
Son<strong>der</strong>prozessen möglich.<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS
3 Kabel<br />
<strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong>-Kabel<br />
- In <strong>der</strong> DDR waren Haus<strong>in</strong>stallation und Münzen aus Alu üblich.<br />
- Seit 10 Jahren im E<strong>in</strong>satz für Batterie-Hauptstrang (Pkw).<br />
(e<strong>in</strong> Pkw enthält ca. 50 kg Cu)<br />
Probleme & Lösungen:<br />
- Korrosion bei Kontakt mit Cu:<br />
�Alu verkupfern<br />
- Kriechen:<br />
� gefettete Quetschhülsen, ke<strong>in</strong>e Lüsterklemmen<br />
- Brandgefahr (Übergangswi<strong>der</strong>stand)<br />
� Verbot für Haus<strong>in</strong>stallationen<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS<br />
3 Kabel<br />
Kupfer-<strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong>-Verbundwerkstoffe<br />
CCA Copper Clad Alum<strong>in</strong>um:<br />
(früher „AlCu“)<br />
Verbund-Halbzeug Al-Cu o<strong>der</strong> Cu-Al-Cu<br />
Cupal ® :<br />
Herstellung:<br />
- Kaltwalzen<br />
- Galvanisch<br />
- Kupferspritzen<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS
4 <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong>leiter <strong>in</strong> flexible<br />
<strong>Leiterplatte</strong>n<br />
Bekanntestes Beispiel:<br />
Herstellung:<br />
- Bedrucken mit permanentem Ätzresist<br />
- Alkalisches Ätzen<br />
� Wärmeerzeugende Reaktion, Wasserstoffentwicklung<br />
� nicht kompatibel mit herkömmlicher <strong>Leiterplatte</strong>ntechnik<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS<br />
5 Hochstromanwendungen<br />
Bisherige Lösung mit Kupfer<br />
Kupfer-Inlay (<strong>in</strong>tegriert), die Hochstromleiterplatte,<br />
(Patent aus 2003, Lizenznehmer u.a. Schweizer El., Fernost-Herst., ...)<br />
E<strong>in</strong>betten von 1 - 3 mm Dickkupfer für<br />
- hohe Ströme<br />
- gute Kühlung<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS
5 Hochstromanwendungen<br />
Vorteile <strong>der</strong> Hochstromleiterplatte<br />
� maximaler Querschnitt an jedem Interface.<br />
� Standard-SMD-Bestückung<br />
� hohe Freiheitsgrade beim Design<br />
� E<strong>in</strong>sparung an Montageaufwand, -material und -zeit<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS<br />
5 Hochstromanwendungen<br />
Fertigungsschritte für die Hochstromleiterplatte<br />
� Präparation von Kupferteilen<br />
durch Fräsen, Ätzen, Stanzen<br />
je nach Form, Stückzahl und<br />
Größe<br />
� Rahmen fräsen<br />
� Multilayer verpressen<br />
� Fertigstellung<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS<br />
�<br />
�
5 Hochstromanwendungen<br />
Beispiel<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS<br />
5 Hochstromanwendungen<br />
<strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> für Hochstromanwenungen<br />
Motivation:<br />
- Gewichtsprobleme bei Elektroautos<br />
- Preisprobleme bei Luft- und Raumfahrt<br />
� Ersatz von Hochstromleitern (Busbar) durch <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong>.<br />
� Aktuelle Anwendung: Power Supply bis zu 1000 A mit 3 mm Alu.<br />
�<br />
Kontaktierungsverfahren: Bonden, Löten, Stecken, Klemmen, Quetschen<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS
Zusammenfassung - Fazit<br />
<strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> birgt ungehobene Schätze für <strong>Leiterplatte</strong>n.<br />
Erfahrungen bei Herstellern und Anwen<strong>der</strong>n s<strong>in</strong>d kaum vorhanden.<br />
� Projekte s<strong>in</strong>d immer Systemlösungen, die alle Bereiche e<strong>in</strong>schließt:<br />
Layout, Konstruktion, <strong>Leiterplatte</strong>, AVT, Montage, Peripherie<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS<br />
Ihre Fragen und Anwendungen?<br />
Vielen Dank für Ihr Interesse.<br />
Ihr Fachverband für Design, <strong>Leiterplatte</strong>n- und Elektronikfertigung <strong>Alum<strong>in</strong>ium</strong> <strong>in</strong> <strong>Leiterplatte</strong>n, Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS
Change language