Leiterplattentechnologien für die Leistungselektronik
30.01.2019
Vortragsübersicht
2
1 Einführung
2 Anforderungen an die Leiterplatte (LP)
3 LP-Technologien für „hohe“ Leistungen
4 Dick-Cu-Technologien
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Vortragsübersicht
3
1 Einführung
2 Anforderungen an die Leiterplatte (LP)
3 LP-Technologien für „hohe“ Leistungen
4 Dick-Cu-Technologien
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Unser Produkt
DIE LEITERPLATTE
Ohne sie steht die Welt still.
Auto, Fertigungsroboter oder Ultra-
Schallgerät: Ohne unsere Leiterplatten
bewegt sich nichts. Sie sind das Herz-
stück, das die Welt am Laufen hält.
4Technologien für Leistungselektronik | Seite
5
Mit innovativen Produktions-technologien und erfahrenen Mitarbeitern entstehen in Gornsdorf und Gars am Kamp mehr als 350.000 m² Leiterplatten pro Jahr. Jede einzelne Leiterplatte wird dabei individuell – ganz nach den Vorgaben unserer Kunden produziert.
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Wer wir sind
134Mio. € Umsatz
in 2018
6Technologien für Leistungselektronik | Seite
Wer wir sind
per 1.1.2018
997Mitarbeiter
Unser wichtigster Firmenschatz steckt in den Köpfen und Händen
unserer Mitarbeiter
7Technologien für Leistungselektronik | Seite
Wer wir sind
Für unsere
1.000Kunden
sind wir direkt um die Ecke und ganz nah am Thema. So können wir schnell reagieren und
gemeinsam Lösungen entwickeln.
8Technologien für Leistungselektronik | Seite
Wer wir sind
per 1.1.2018
45.000m² Fertigungsfläche
Mit dem Ausbau beider Standorte erweitern und optimieren wir unsere Kapazitäten ganz entscheidend und stellen so die Versorgung
unserer Kunden sicher.
9Technologien für Leistungselektronik | Seite
10
Technologien
Technologien für Leistungselektronik | Seite
HDI / SBU Multilayer Leiterplatten Hochfrequenz-Schaltungen
Dickkupfer Leiterplatten HSMtec® Iceberg®Leiterplatten
Starrflexible Leiterplatten
Ei
Eingabesysteme Semiflexible Leiterplatten
Doppelseitige Leiterplatten
11
Branchen
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Industrieelektronik EMS Automobilelektronik
Nachrichtentechnik/Datentechnik Medizinelektronik
Lichttechnik undKonsumelektronik
HerzstückPCB
Vortragsübersicht
12
1 Einführung
2 Anforderungen an die Leiterplatte (LP)
3 LP-Technologien für „hohe“ Leistungen
4 Dick-Cu-Technologien
Technologien für Leistungselektronik | Seite
13
Anforderungen an die LP - Allgemeine Einflussfaktoren
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Leiterplatte
Funktionalität Layout
Zuverlässigkeit
Kosten
Lebensdauer
Umwelt
Technologie/ Aufbau- zweilagige LP- Multilayer- Semi-/ Starrflex- IMS, Dick-Cu
Material- Standard FR4- gefülltes FR4- Hochfrequenz-Material- Polyimid, Kleber- Al-/ Cu-Material
14
Einflussfaktoren – Beispiel Solartechnik
Technologien für Leistungselektronik | Seite
UmweltZuverlässigkeit
KostenFunktionalität
Moderne Gehäusekonzepte (Strömungstunnel, temperatur-
gesteuerte Lüfter)
Betrieb unter extremen Umgebungsbedingungen
(Temperatur, Feuchte)Betrieb am
Leistungsmaximum der Module (MPP)
Erhöhung der Leistung von Drosseln und Trafos
Zunehmende Leistungsdichte der Systeme (Verlustwärme)
Erhöhung des Wirkungsgrades der Wechselrichter (Senkung der Umwandlungsverluste)
15
Anforderungen an die LP - Layout / Aufbau
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Minimierung des Dielektrikums im Multilayer-Verbund
Einsatz von hohen Cu-Schichtdicken auf Innen- bzw. Außenlagen
(Stromtragfähigkeit)
Integration von Wärmemanagement-Maßnahmen
Thermal Vias (ggf. Cu-gefüllte Microvias)
Dick-Cu
Inlay‘s
Anpassung des Schaltungslayout (Cu-Verteilung)En
twic
kle
r
Know-How Designrules
16
Anforderungen an die LP - Basismaterial
Technologien für Leistungselektronik | Seite
hohe Temperaturbeständigkeit (MOT) = 130-150°C
hohe Systemhaftung (Cu-FR4-System, Harz-Glas-System)
hohe Zyklenfestigkeit ( > 1.000 Zyklen -40/ +125°C)
hohe Verfüllfähigkeit (Harzgehalt-Prepregs)
hohe Wärmeleitfähigkeit des Materialverbunds (inkl. Dielektrikum)
hohe CAF-Beständigkeit (Conductive Anodic Filament)
anorganische Füllstoffe
phenolischeHärtersysteme
angepasste Haftvermittler
angepassteHarzgehalte
Mat
eri
allie
fera
nt
17
Anforderungen an die LP - Fehlerbilder
Technologien für Leistungselektronik | Seite
LED – thermischer Ausfall
Thermisch überbeanspruchtes LP-Layout
Gerätebrand
Vortragsübersicht
18
1 Einführung
2 Anforderungen an die Leiterplatte (LP)
3 LP-Technologien für „hohe“ Leistungen
4 Dick-Cu-Technologien
Technologien für Leistungselektronik | Seite
19
LP-Technologien – Entwärmungskonzepte
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Unsere Technologien
im Überblick
20Hochstrom und Wärmemanagement | Seite
3
54
Dickkupfer - Leiterplatten Iceberg® - Leiterplatten HSMtec® - Leiterplatten
HSMtec / Cu-IMS 3D-Erweiterungen
Hochstrom & Wärmemanagement
1 2
LED Leiterplatten und 3D-Funktionen
21
Stromtragfähigkeit in Leiterplatten
Hochstrom und Wärmemanagement | Seite
Leiterplatten als kosteneffiziente und technisch optimale Basis für die Führung hoher Ströme
Leiterquerschnitt: 6 mm²
Zulässige Temperaturdifferenz: 50 K
0 A
50 A
100 A
150 A
200 A
Stromschiene/ Kabel
FR4 PCBMinimum
FR4 PCBOptimiert
Die Tabelle ermöglicht eine ungefähre Schätzung der erwarteten Strombelastbarkeit. Die tatsächliche Strombelastbarkeit hängt von zusätzlichen variablen Faktoren wie Layout, Materialien usw. ab.
Geringe Spreizung
Geringe Spreizung
HoheWärmespreizung
HoheWärmespreizung
Leiterplatten ermöglichen höhere Ströme gegenüber Kabeln / Schienen bei gleichem Querschnitt
22
LP-Technologien – Thermal Via Lösungen
Technologien für Leistungselektronik | Seite
0
20
40
60
80
100
20 µm DK-Cu Pugging nichtleitend 30 µm DK-Cu Cu-Filling
Rth
[K/W
]
Technologische Varianten
Rth für 120 µm DK-Durchmesser (Laminatdicke 150 µm)
Beispielkonfiguration:
16 Vias mit = 300 µm,
LP doppelseitig, 1,55 mm dick
Höchstmögliche Perforation des Basismaterials im Bereich einerWärmequelle mittels gefüllterCu-Vias
Zielstellung
23
LP-Technologien – Heatsink-Technologie
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Thermische Eigenschaften ausgewählter AVT-Materialien
Epoxy/Glas FR4
Bergquist/ IMS
Leitkleber
Keramik Al2O3
Lot
Silizium
Aluminiumnitrit
Aluminium techn.
Kupfer techn.
Silber
Diamant
]W/mK[
0.24
2,2
2…4
20…25
30…50
150
200
180
360
418
2000
Rth, LP = Rth, Metallträger + Rth, Dielektrikum + Rth, Cu-Folie
Wärmemanagement im BetriebszustandFR4-Leiterplatte IMS- Leiterplatte
24
LP-Technologien – IMS-Technologie
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Aufbau eines IMS (Insulated Metal Substrate)
Vorteile Effiziente thermische Ableitung der
Verlustleistung Kostenreduktion durch Kombination von
Leiter-platte - Heatsink Realisierung erhöhter Leistungsdichten bzw.
reduzierter Leiterplattengröße möglich Hohe mechanische Stabilität der Leiterplatte Erzielung höherer Lichtausbeuten bzw.
signifikante Erhöhung der Lebensdauer
Nachteile Höhere Materialkosten im Vergleich zum FR4 Einseitiges Leiterbild Hohe Kosten der mechanischen Bearbeitung
25
IMS-Technologie – Beispiel: IMS-Anwendung
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Audi R8 - LED Scheinwerfersystem Daytime Running Lamp (DRL)
20 % Energieumwandlung in kaltes Licht
kritische Chiptemperatur ca. 125 …185 °C
Wärmeabgabe Abblendlicht = 40 W
Fernlicht = 20 W
26
LP-Technologien – Inlay-Technologie
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Quelle/Bilder: Ruwel, Internet
Einbettung von Massiv-Cu-Teilen in die Leiterplatte durch:
Einpressen in Aussparungen
Verpressen im ML-Pressprozess
Vorteile Entwärmung von Hot Spots möglich Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit um Faktor
10 zu einem vergleichbaren Thermal-Via-Array
Doppelfunktion möglich: Wärmepfad, Lötfläche
Nachteile Herstellung des Inlays (Fräsen, Stanzen,
Erodieren) Zusätzlicher Fügeprozess
27Hochstrom und Wärmemanagement | Seite
HSMtec - Leiterplatten
Technologie-Portfolio
Ströme bis X00 Ampere
Wärmemanagement für jede Art von Hotspots auf der PCB
3D – Leiterplatten – Designs mit selbsttragenden Biegungen
Herstellung im Standard-Prozess mit Standard-Materialien
Vorteile
Die Leiterplattentechnologie HSMtec ermöglicht die partielle Einbringung großer Kupferquerschnitte in beliebige Positionen und Lagen eines Standard-FR4-Multilayers. Die vielfältigen Designvarianten erlauben es hohe Ströme bzw. Verlustwärme von Bauteilen gezielt in Leiterplatten zu führen, ohne weitere externe Arbeitsschritte.
2, 4 , 8 und/
oder 12 mm
500 µm
500 µm
All-In-One: Hohe Ströme, Steuerelektronik, Wärmemanagement und 3D-PCB-Technik
28Hochstrom und Wärmemanagement | Seite
AC/DC Turbo-Umlader - Rennsport
Anwendungsbeispiel - Automotive
Energierückgewinnung durch Abgasrückführung
Anforderungen Leiterplatte:
Stromstärke 60A pro Motorphase
IGBT basiertes Design
Integration mit BGA-Layouts
Umgebungstemperatur 80°C
max. Erwärmung 40 K
Lösung – HSMtec PCB
6-Lagen Multilayer mit HSMtec
70µm Cu-Lagen mit 500µm Kupferprofilen
Verstärkung der Hochstrompfade durch 4mm und 8mm breite Kupferprofile auf zwei Innenlagen
2,4 mm PCB Dicke, 224 x 198mm PCB Größe
29Hochstrom und Wärmemanagement | Seite
HSMtec PCB für LED Matrix Licht
Anwendungsbeispiel – Automotive LED Anwendungen
Anforderungen Leiterplatte
4 elektr. Lagen für Steuerelektronik
Optimale Wärmeableitung von den µAFS Matrix LED Bauteilen
Beidseitige Bestückung.
Verarbeitung / Lötung im Standardprozess
Optional integriertes Dielektrikum bis >4kV
7 mm
8 m
m
18 mm
Ku
pfe
rpro
fil
Integrierte Dickkupferelemente 8 x 18mm für direkte Wärmeableitung
Steuerelektronik und High Power LED in einer Leiterplatte kombiniert
Filled µVias im Pad für voidfreie Lötungen
Kupfer / FR4 Materialien sorgen für höchste Zyklenfestigkeit und Lebensdauer
Lösung – HSMtec Multilayer PCB
30Hochstrom und Wärmemanagement | Seite
3D Erweiterung / HSMtec Leiterplatten
Technologie-Portfolio
Steuer / Hochstromverbindungen
Wärmetransfer
Mechanisch stabile
Biegungen von herkömmlichen Multilayer PCBs.
Partiell integrierte Kupferprofile ermöglichen eine direkte Biegung der Leiterplatte an vordefinierten Stellen. Im Gegensatz zu semi / starrflexiblen Lösungen können damit selbstragende Leiterplattenstukturen für innovative Produktdesigns geschaffen werden.
Integrierte Kupferprofile ermöglichen
Innovative optische Designs
Kostenreduktion durch Ersatz von Kabeln, Verbindungen, Montageprozessen
Bestückung als Standard 2D-PCB
Erhöhte Systemzuverlässigkeit
Vorteile
Prinzip-Beispiel: Hochstromleiterplatten
Prinzip-Beispiel: LED Leiterplatten
Volle Kompatibilität mit allen FR4-PCB-Technologien und Semiflex - Biegungen
31Hochstrom und Wärmemanagement | Seite
Motorsteuerung für Gebläsekühlung
Anwendungsbeispiel
Hauptanforderungen
Quelle: Reformwerke
31
3D Leiterplatte selbsttragend - Integrierte
Hochstrom, Wärme, Signal, Mechanik-Verbindungen)
Integrierte 12mm x 500µm Dickkupferprofile für 120A / Wärmeleitung / 3D-Biegung
Seitliche Laschen für Entwärmung
Schraubenlose Befestigung durch automatisches Anpressen beim Schließen
4-Lagen 70µm Multilayer mit Steuer und Hochstrom-elektronik vollintegriert.
Lösung – 3D HSMtec Multilayer PCB
120A Dauerstrom auf 2 Halbbrücken
Intelligente sensorbasierte Steuerung aller Ausgänge
Standard-Gehäuse aus Kunststoff / Metall
Entwärmung über Seitenwände des Gehäuses
Praxistaugliche / einfache Montage der Baugruppe
32Hochstrom und Wärmemanagement | Seite
Smarte 3D-Designs für LEDs
Anwendungsbeispiel 3D Leiterplatten
33
LP-Technologien – Dick-Cu-Technologie
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Standard-Technologie
Außenlagen: Cu-Folien-Dicke ≥ 105 bis 210 µm
Innenlagen: Cu-Folien-Dicke ≥ 105 bis 400 µm
Vorteile Verarbeitung im LP-Standardprozess Einsatz unterschiedlicher Cu-Foliendicken Layout frei gestaltbar
Nachteile Hohe Materialkosten Hohe Prozesskosten (Bohren, Ätzen,
Stopplack) Eingeschränkte Kapazitäten beim LP-
Produzent (Bohren, Ätzen)
34
Dick-Cu-Technologie – Beispiel: Abstandsradar
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Entwärmung eines HF-Layouts (77 GHz) durch eine Dick-Cu-Technologie: Chip wird in einer Kavität platziert
Quelle: Bosch
Schliffbild (Aufbau LRR3)
Kavität in 400 µm Innenlagenkupfer
35
Dick-Cu-Technologie – Beispiel: Wechselrichter
Technologien für Leistungselektronik | Seite
SMA Photovoltaik – DC/AC Wechselrichter (WR)
Quelle: SMA
Teil-Schliffbild (Außenlage, 1. Innenlage) der WR-LP mit Cu-Dicken ≥ 100µm
36
Dick-Cu-Technologie – „Iceberg“-Technologie
Technologien für Leistungselektronik | Seite
„Iceberg“-Technologie (KSG-Patent)
Kombination von Dickkupferstrukturen bis 400 µm mit Leiterbild-Strukturen von 70 µm auf der Außenlage bei planaren Oberflächentopographien (Pad, Lötstopplack).
Lötstoppmaske400 µm Cu teilvergraben
70 µm Cu + galvanisch Cu
Doppelseitige LP: Kombiniertes 70/400 µm Leiterbildlayout
37
„Iceberg“-Technologie – Beispiel: Sicherungsbox
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Nutz-/Sonderfahrzeuge - Sicherungsbox
Quelle: Internet
Schliffbild: Innenlagen Kupferdicke 210 µm und 35 µm Außenlagen 400 µm, partiell > 70 µm
Vortragsübersicht
38
1 Einführung
2 Anforderungen an die Leiterplatte (LP)
3 LP-Technologien für „hohe“ Leistungen
4 Dick-Cu-Technologien
Technologien für Leistungselektronik | Seite
39
Dick-Cu-Technologie - Einflussfaktoren
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Einflussfaktoren
Basismaterial Lagenaufbau Layoutgestaltung
40
Dick-Cu-Technologie - Basismaterialanforderungen
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Thermischer Stress /Wechselbeanspruchung
starke Spannungen zwischen Glasfaser-Harz und Kupfer-Harz
CTE-Mismatch zwischen Kupfer und Basismaterial in Z-Richtung
Basismaterialauswahl
hohe Temperaturbeständigkeit (modifizierte Harzsysteme)
niedrige Z-Achsen-Ausdehnung (hoher Füllstoffanteil)
hohe Zyklenfestigkeit (hoher Füllstoffanteil)
Fehlerbilder thermo-mechanischer Überlastung
Measling
Delamination
Delamination
Hülsenriss nach TWT
41
Dick-Cu-Technologie - Materialauswahl
Technologien für Leistungselektronik | Seite
400 µm Technologie nicht empfohlen!gefülltes FR4 Tg 150°C,
kein HAL (bleifrei)
gefülltes FR4 Tg 150 °C,
kein HAL (bleifrei)
210 µm Technologie nicht empfohlen!gefülltes FR4 Tg 150 °C,
kein HAL (bleifrei)
gefülltes FR4 Tg 150 °C,
kein HAL (bleifrei)
140 µm Technologie nicht empfohlen!gefülltes FR4 Tg 150 °C,
kein HAL (bleifrei)
gefülltes FR4 Tg 150 °C,
kein HAL (bleifrei)
105 µm Technologie nicht empfohlen! gefülltes FR4 Tg 150 °C gefülltes FR4 Tg 150 °C
70 µm gefülltes FR4 Tg 150 °C gefülltes FR4 Tg 150 °C gefülltes FR4 Tg 150 °C
50 µm gefülltes FR4 Tg 150 °C gefülltes FR4 Tg 150 °C gefülltes FR4 Tg 150 °C
35 µm Standard FR4 Tg 135 °C Standard FR4 Tg 135 °C gefülltes FR4 Tg 150 °C
18 µm Standard FR4 Tg 135 °C Standard FR4 Tg 135 °C gefülltes FR4 Tg 150 °C
> 0,5 ≤ 1,0 mm > 1,0 ≤ 1,8 mm > 1,8 mm
Bas
isku
pfe
rdic
ke In
ne
n-
od
er
Au
ße
nla
ge
Leiterplattendicke
42
Dick-Cu-Technologie - Kostenfaktor Basismaterial
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Designoptimierung
maximale Materialauslastung zur Kostenminimierung
ggf. frühzeitige Abstimmung zur optimalen Nutzengestaltung
Kosten
Kostenfaktor Standardlaminat mit 18/18 µm Kupferdicke zu Dickkupferlaminat mit 400/400 µm Kupferdicke ca. 1 : 8
18/18 400/400
Mat
eri
alko
ste
n
100% 105%
170%210%
460%
835%
35/35 70/70 105/105 210/210Kupferdicke
43
Dick-Cu-Technologie - Kostenvergleich
Technologien für Leistungselektronik | Seite
346,0 x 254,0 mm 346,0 x 244,0 mm
MEF: 1,32
He
rste
llko
ste
n
MEF:1,57
118%
100%
100%
79%
Zuschnitt
Zuschnitt
LP
LP
Vergleichsgrundlage:
- 6-Lagen ML- LP-Dicke 2,4 mm- IL 105 µm Kupfer- AL 70 µm Endkupfer
44
Dick-Cu-Technologie - Lagenaufbau
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Optimierung Lagenaufbau
Harzverfüllungsgrad berechnen (materialabhängige Vorberechnung mittels KSG-Lagenaufbauprogramm)
Einsatz ausreichend harzreicher Prepregsvorrangig PP 7628 HR oder PP 1080 HR
kosten- und prozessoptimierte Lagenaufbau-vorschläge und Designrules unter www.ksg-pcb.com
Harzverfüllung
Prepregharz flutet Freiflächen im Kupferlayout
Verringerung Isolationsdicke in Abhängigkeit von Kupferbelegung und Kupferdicke
Verbundfehler bei Harzarmut
Fehlerbild Harzarmut
Schliffbild: Innenlage mit 400 µm Cu
45
Dick-Cu-Technologie - Lagenaufbauberechnung
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Typ mittlere mittlere
Basisdicke Enddicke
µm µm
25
1 100% 50+25 50 80
7628 HR 183
7628 HR 183
2 50% 105 105 105
360 µm 360 360
3 50% 105 105 105
7628 HR 183
7628 HR 183
4 50% 105 105 105
360 µm 360 360
5 50% 105 105 105
7628 HR 183
7628 HR 183
6 100% 50+25 50 80
25
Presslingsdicke: 2128 +/- 10%
Gesamtdicke inkl. galv.Cu u. Lötstoppmaske: 2238 +/- 10%
Lagenaufbau
314
Prepreg
2611%
Cu
53% 314
Lötstoppmaske
Laminat
Prepreg
Cu
Prepreg53%
Cu
Cu
Laminat
Prepreg
Prepreg
Cu
Prepreg
Lötstoppmaske
Cu
Lagenaufbau Kundenvorgabe Aufbau nach Kundenforderung
Lagenaufbau (Prinzipskizze) mit Vorgabe definierter Abstände und Dicken
46
Dick-Cu-Technologie - Lagenaufbauberechnung
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Typ mittlere mittlere
Basisdicke Enddicke
µm µm
25
1 100% 50+25 50 80
7628 HR 183
7628 HR 183
2 31% 105 105 105
360 µm 360 360
3 55% 105 105 105
7628 HR 183
7628 HR 183
4 50% 105 105 105
360 µm 360 360
5 44% 105 105 105
7628 HR 183
7628 HR 183
6 100% 50+25 50 80
25
Presslingsdicke: 2107 +/- 10%
Gesamtdicke inkl. galv.Cu u. Lötstoppmaske: 2217 +/- 10%
Lagenaufbau
307
Prepreg
2664%
Cu
34% 294
Lötstoppmaske
Laminat
Prepreg
Cu
Prepreg47%
Cu
Cu
Laminat
Prepreg
Prepreg
Cu
Prepreg
Lötstoppmaske
Cu
Kupferbelegung und Analyse
Layout (Entwurf) bereits zur Anfrage
47
Dick-Cu-Technologie - Lagenaufbauberechnung
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Typ mittlere mittlere
Basisdicke Enddicke
µm µm
25
1 100% 50+25 50 80
7628 HR 183
7628 HR 183
2 31% 105 105 105
360 µm 360 360
3 75% 105 105 105
7628 HR 183
7628 HR 183
4 75% 105 105 105
360 µm 360 360
5 44% 105 105 105
7628 HR 183
7628 HR 183
6 100% 50+25 50 80
25
Presslingsdicke: 2154 +/- 10%
Gesamtdicke inkl. galv.Cu u. Lötstoppmaske: 2264 +/- 10%
Lagenaufbau
307
Prepreg
31426%
Cu
34% 294
Lötstoppmaske
Laminat
Prepreg
Cu
Prepreg47%
Cu
Cu
Laminat
Prepreg
Prepreg
Cu
Prepreg
Lötstoppmaske
Cu
Bsp. mit höherer Kupferbelegung auf L3/L4
optimale Kupferbelegung auf Dickkupfer-Innenlagen 75%
55% 75%
50% 75%
48
Dick-Cu-Technologie - Lagenaufbauberechnung
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Typ mittlere mittlere
Basisdicke Enddicke
µm µm
25
1 100% 50+25 50 80
7628 HR 183
7628 HR 183
2 31% 105 105 105
360 µm 360 360
3 55% 105 105 105
7628 HR 183
1080 HR 81
7628 HR 183
4 50% 105 105 105
360 µm 360 360
5 44% 105 105 105
7628 HR 183
7628 HR 183
6 100% 50+25 50 80
25
Presslingsdicke: 2188 +/- 10%
Gesamtdicke inkl. galv.Cu u. Lötstoppmaske: 2298 +/- 10%
Lagenaufbau
Prepreg
34718%
307
Prepreg
Cu
34% 294
Lötstoppmaske
Laminat
Prepreg
Cu
Prepreg47%
Cu
Cu
Laminat
Prepreg
Prepreg
Cu
Prepreg
Lötstoppmaske
Cu
Lagenaufb. KSG mit zusätzlichem Preprep zw L3/L4Lagenaufbau Kundenvorgabe
alternativer Lagenaufbauvorschlag zur Kundenfreigabe, Testpressung
49
Dick-Cu-Technologie - Layoutgestaltung
Technologien für Leistungselektronik | Seite
3D-Kupferverteilung
Layout mit „gestapelten“ Kupferflächen und kupferfreien Bereichen
Summenbild
Innenlage 1
Innenlage 2
Innenlage 3
Innenlage 4
50
Dick-Cu-Technologie - Layoutgestaltung
Technologien für Leistungselektronik | Seite
3D-Kupferverteilung
Druck wird beim Pressen ausschließlich auf die kupferbelegten Bereiche aufgebracht
ungleichmäßige Druckverteilung durch gestapeltes Kupfer wird im Presspaket verstärkt
Pressblech
Presspolster
Presspolster
Presswerkzeug
Pressblech
Pressblech
{{
ML 8
ML 8
Pressblech
Presspolster
Presspolster
Presswerkzeug
Pressblech
Pressblech
{{
ML 8
ML 8
Schematische Darstellung Presswerkzeug mit Multilayerzuschnitten
Cu
Prepreg
FR4
Cu
Prepreg
FR4
51
Dick-Cu-Technologie - Layoutgestaltung
Technologien für Leistungselektronik | Seite
3D-Kupferverteilung
Verbundfehler bei ungleichmäßiger Druckverteilung (Falten, Harzarmut, Lufteinschlüsse)
Fehlerbild Falten
Druckverteilungsbild
Designoptimierung
optimierte Druckverteilung durch vorbeugende Layoutgestaltung
52
Dick-Cu-Technologie - Layoutgestaltung
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Summenbild
Innenlage 1
Innenlage 2
Innenlage 3
Innenlage 4
Designoptimierung
optimierte Druckverteilung durch Versetzen der Kupferflächen
53
Dick-Cu-Technologie - Layoutgestaltung
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Designoptimierung
optimierte Druckverteilung durch Auffüllen der Freiflächen mit Kupfer
54
Dick-Cu-Technologie - Layoutgestaltung
Technologien für Leistungselektronik | Seite
Designoptimierung
Leiterbreiten und -abstände in Abhängig-keit der zu ätzenden Kupferdicke
Leiterbahnprofil bei der Querschnittsberechnung beachten
Innenlagen
Kupferfoliendicke nominal in µm
minimale Leiterzugbreite in
µm
minimaler Leiterzugabstand in µm
70 170 170
105 210 220
175 320 350
210 380 420
400 700 700
Außenlagen / Aufgekupferte Lagen
Basiskupferdicke nominal in µm
minimale Leiter-zugbreite in µm
minimaler Leiter-zugabstand in µm
50 150 190
70 190 240
105 250 320
175 380 460
210 420 520
Ätzen von Dickkupfer
lange Ätzzeiten, stärkere Unterätzung
schwieriger Ätzmedienaustausch in tiefen, schmalen Kanälen
Kompensation in Fertigungsunterlagen
55
Dick-Cu-Technologie - Layoutgestaltung
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Kupferdicke nominal in µm
≤ 35 50 70 105 175 210 400
Restring in µm (Bezug zum End-Ø)
150 175 225 225 325 375 575
Bohren von Dickkupfer
starke mechanische Kräfte
hohe thermische Belastungen
Gefahr von Hülsenausrissen bei zu kleinen Restringen
Designoptimierung
Erzeugung ausreichende großer Restringe für optimale Haftungskräfte
Ideal-Zustand laut Daten möglicher Zustand nach Prozessierung
Fehlerbild
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Dick-Cu-Technologie - Gestaltungsempfehlungen
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Gefüllte thermostabile Basismaterialien mit hohem Formfüllvermögen einsetzen.
Harzverfüllungsgrad berechnen (materialabhängige Vorberechnung mittels Lagenaufbauprogramm bei KSG.)
Ausreichend harzreiche Prepregs einsetzen.
„Gestapelte“ Kupferflächen und kupferfreie Bereiche vermeiden(Sicht durch alle Innenlagen).
Kupferflächen und kupferfreie Bereiche verteilen.
Große kupferfreie Bereiche mit Kupfer auffüllen.
Leiterbreiten und - abstände in Abhängigkeit der Kupferdicke routen.
Ausreichend große Restringe erzeugen.
Aktuelle Daten und Designrules finden Sie auch unter www.ksg-pcb.com
Vortragsübersicht
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1 Einführung
2 Anforderungen an die Leiterplatte (LP)
3 LP-Technologien für „hohe“ Leistungen
4 Dick-Cu-Technologien
Iceberg-Technologie
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Getrenntes Design von Steuer- und Leistungselektronik
Logistikkosten (Beschaffung, Lagerung, Verarbeitung) für 2 Leiter-plattentypen
Doppelte Rüstkosten
Einsatz von Verbindungssystemen (Kabel, Stecker)
Erhöhter Platzbedarf im elektronischen Gesamtsystem
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Iceberg-Technologie - Ausgangssituation
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Layoutentwurf und Bestückung
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Iceberg-Technologie - Ausgangssituation
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Ziel
Kostenreduzierung durch Entflechtung auf einer Leiterplatte
Erhöhung der Zuverlässigkeit durch Einsparung der Systemschnittstellen
Minimierung des Platzbedarfes für den Schaltungsträger im Gesamtsystem
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Iceberg-Technologie - Ausgangssituation
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Konventionelle LP-Herstellungstechnologie
Kostenintensiver selektiver galvanischer Leiterbildaufbau
Mehrstufige Lötstopplackbeschichtung (Verfüllen, Einebnen, Abdecken)
Gefahr von mechanischen Beschädigungen des Dickkupferlayouts beim Handling
Lötstopplack
400 µm Kupferlayout
70 µm Kupferlayout
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Iceberg-Technologie - Lösungsprinzip
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LP-Herstellungstechnologie in Iceberg-Technologie
Integration unterschiedlicher Kupferdicken in einer Ebene auf einem Schaltungsträger durch Einbettung der Dickkupferbereiche in das Basismaterial
Lötstopplack
400 µm Kupferlayoutteilvergraben70 µm Kupferlayout
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Iceberg-Technologie - Lösungsprinzip
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LP-Herstellungstechnologie in Iceberg-Technologie
Integration unterschiedlicher Kupferdicken in einer Ebene auf einem Schaltungsträger durch Einbettung der Dickkupferbereiche in das Basismaterial
Kombination unterschiedlicher Kupferdicken auf einer Ebene
teilvergrabene Leiterbahn 400 µm mit Lötstoppmaske
Dickkupfer-ML -Außenlagen in Iceberg-Technologie
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Iceberg-Technologie - Fertigungstechnologie
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Fotoresist laminieren und belichten
400 µm Kupfer
Einseitige Belichtung ohne Film
Fotoresist
Filmvorlage
400 µm70µm
Fotoresist entwickeln
Tiefenätzen
Fotoresist strippen
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Iceberg-Technologie - Fertigungstechnologie
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Verpressen
Bohren
Galvanische Kupferabscheidung
PrepregVorstrukturierte Cu-Folie
Bohrung
Metallisierte Bohrung
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Iceberg-Technologie - Fertigungstechnologie
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Fotoresist laminieren und belichten
Fotoresist
Filmvorlage
Endzustand
FilmvorlageSchliff durch LP mit Außenlagen in Iceberg-Technologie
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Iceberg-Technologie - Querschnittsberechnung
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A1
A2A2
x
y y = 274,16*e- 0,0039x
Leiterquerschnitt:
Für die Kombinationen 105/400 µm Leiterdicken auf einer Ebene ergibt sich entsprechend der technisch bedingten Ätzflanke:
Minimal möglicher Leiterquerschnitt bei minimal möglicher Leiterbreite der Dickkupferleiterbahnen (400 µm) von 1,2 mm:
Mit zusätzlichen Prozessschritten sind auch weitere Dickenkombinationen möglich (z.B. 70/350 µm oder 35/300 µm).
A = 2*A2 + A1
A = 2*0,06 mm² + A1
A = 2*0,06 + 0,08 mm² = 0,2 mm²
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Iceberg-Technologie - Strombelastbarkeit
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deltaT = f (I, b) für h = 400 µm bei einseitiger Wärmeabgabe
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
deltaT [K]
I [A
]
b=40mm
b=20mm
b=10mm
b= 5mm
Wärmebildaufnahme
(Quelle: IEEH-TU Dresden)
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Iceberg-Technologie - Vorteile
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Kostenreduzierung in der Beschaffung, Logistik und Fertigung durch die Einsparung einer Leiterplatte und durch den Entfall zusätzlicher Verbindungstechnik (Kabel- und Steckersysteme)
Erhöhung der Zuverlässigkeit durch Minimierung der Systemschnittstellen
Minimierung des Platzbedarfes für den Schaltungsträger im Gesamtsystem
Einsatz der Standard-Bestückungstechnik durch Gewährleistung eines gleichmäßigen Oberflächenniveaus über das gesamte Leiterbild
Prozesssichere Abdeckung der Leiterzugflanken mit Lötstopplack durch eine minimale Kupferdicke des gesamten Leiterbildes
Einsatzmöglichkeit als Heatsink
VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT!
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30.01.2019
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