Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen bereits im Vorfeld lokalisieren und beseitigen NORTEC FORUM & FED Regionalgruppentreffen am 26. Januar 2016 um 14:00 - 14:45 in Hamburg Dr. Christoph Lehnberger ANDUS ELECTRONIC GmbH aus Berlin Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Red Ring of Death Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Systematische Herangehensweise Ursachen im Vorfeld lokalisieren Thermische Analyse von - Ideen, Entwürfen - Konstruktion & Design (Mechanik, Elektronik) - Prototypen mittels - Thermosimulation, Thermografie - Auswertung, Visualisierung von Wärme und T … und beseitigen Thermische Optimierung, Planung der Wärmepfade Kenntnis von Alternativen Analyse dieser Alternativen - Technologie-Überblick - Wirtschaftlichkeitsrechnungen Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen rd a o B er Pow ire W o rm The ShowerPower Cool-L am x-Cool HSMTec r a Bo S SA d IM G Eis be rg -Te ch nik Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Beispiel: 4 Lagen Multilayer Ausgangssituation (Innenlage): dTmax: 57 °C Zusätzlich Kupferprofile auf die Innenlagen geschweißt: dTmax: 38 °C Kostenlose Alternative: Optimierung Innenlagen-Layout: dTmax: 29 °C Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Weiteres Beispiel für eine Technologieentscheidung (LED) Multilayer & Cu-Bändchen <Häusermann> Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Gebogenes IMS (Alu-LP) <Fela> Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Technologie-Scout 00 A 1 < Power LPs >10 0 .. rd Standa Selek t 100 0A Hohe Ströme & Leistungen Hybrid / Keramik BauteilKühlung W & gen a L 2+ tsink ea H 1 La ge & He CTExyat sin Ausdehnung k begrenzen iv Dic 70 .. 400µm Cu kkup fer 10 .. 1 0 pro M 0 W OSFE T eit Designfreih + HD I m .. 3m 0,8 u C ≤400µm Cu n e nn der) Alu i k a n i ts pre a S He eat flex H ( starr nten Heatsink u t effizien m² m / r se as W >1 <1 W/mm² DCB Dickschicht Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dünnschicht max. C u /mm² W 1 < <0,1 W/m m² Dickkupfer-LPs Eisberg Wirelaid CombiBoard Inlay-LPs SMT IMS Leadframe-LP Metallkern-LP 2L-Flex auf HS Dünnlaminat Cu-Heatsink mit Microvias X-Cool 1lagig IMS-LPs: Bergquist, … Flex auf Alu/Cu Fluidik CIC Cu-Invar-Cu Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Einfache Wärmepfade Auf dem Wärmepfad fließt die Wärme von warm nach kalt mit dem Thermische Widerstand Rth. . Wärmestrom Q T1 [Joule/s=Watt] . Rth = (T2 - T1) / Q [Rth] = K/W Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, T2 Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Einfache Wärmepfade Elektrisches Analogon: I U1 U2 R = (U2 - U1) / I Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Verschlungene Wärmepfade Wie setzt sich der Thermische Widerstand Rth in der Praxis zusammen? PCB Case Beispiel: Junction TLPa Tc1 Case: Leadframe Tj Gehäuse Th1 TLPb Tc2 Th2 Case: Mold TLPc Tc3 TTIM TKK Interface Heatsink Case: Heatsink TTIM Dome Umgebung Interface Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Ta Th3 Tair Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Verschlungene Wärmepfade Elektrisches Analogon: Fazit: Sie können planen, wo die Wärme fließen soll. Dazu ist die Frage zu klären: Wie groß sind die Rths? Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Wie fängt man an? Wo fängt man an? Vorschlag: an der Wärmequelle Relevante Wärmequellen: Kühlung per Kühlkörper, … Kühlung per Leiterplatte Bei der Bauform werden die entscheidenden Weichen für den Wärmepfad gestellt. ( Blick ins Datenblatt) Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen DIE RICHTIGE PLANUNG Die Temperatur-Treppe: das Optimierungs-Tool Große Temperaturgefälle im Wärmepfad suchen Verbesserungen gezielt einbauen T Ort Bauteil … LP Ort1 … LP Ort x… Umgebung Fazit: Bitte nicht nur Tmax bewerten und sich sonst nur an den bunten Thermogrammen erfreuen. Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Kleine Bauteilkunde LEDs Jede LED braucht ein anderes Substrat 20 mA 240 K/W 75 mA 120 K/W 1A 10 K/W 10 A 1 K/W 20 mA 240 K/W 20 mW Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung 20 W Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen LED-Kühlung: Vorausplanung Randbedingungen: - Junction-Temperatur TJ <125°C ! - Umgebungsbedingungen? - Signalleuchten am Laptop: 35°C - Armaturenbrett mit Sonne: 85°C langsamer Hitzetod im Sommer 2006 - Peripherie? - normales FR4-Leiterplatten-Layout oder IMS-Leiterplatte? - Gehäuse/Konstruktion? Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Anwendungsformen (Auswahl) Flexbänder SMT auf IMS selbstklebend THT auf FR4 Sonderbau mit Heatsink Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Erster Ansatz: Design-Hinweise im Datenblatt Leiterplatte: 20x20 mm Leistung: 75 mW nur Pads: mit vergrößertem Kathodenpad: Flexband FR4 ∆T=220°C ∆T=120°C . Flexband FR4 ∆T=15°C ∆T=15°C Fazit: Für Designempfehlungen sollte der erste Blick ins Datenblatt gehen, … aber nicht der letzte. Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Flexbänder mit Heatsinks … wenn die Kühlfläche begrenzt ist T1 T1 T2 T2 T3 Flexband ∆T1 2 =220°C Flexband mit Heatsink ∆T1 2=15°C ∆T2 3=10°C Fazit: Wenn die Kühlfläche in der xy-Ebene begrenzt ist, hilft die Kühlung in z-Richtung Ein großes Kathodenpad ist jetzt nicht mehr nötig. …Wie groß müssen Pads sein? Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Ex pe rte nw is Der Wärmekreis sen Abschätzung der Padgrößen zur Wärmespreizung δ = √(λD)/(2α) λ: Wärmeleitfähigkeit [W/m K] D: Dicke des Wärmespreizers [m] α: Wärmeübergang zur Umgebung [W/m²K] (Luft, Kühlkörper, ..) Bei Heatsinks ist α = λ / d, also Leitfäh./Dicke des th. Interfaces 2: Wärmeabgabe zu beiden Seiten δ δ T -x +x Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Beispiel: Kupfer: λ = 360 W/m K 35 µm: D = 0,000‘035 m in Luft: α = 10 W/m²K δ = 25 mm (Π · ) Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Heatsink, IMS & more Flexband mit Heatsink ∆T=16°C IMS Bergquist HT Gefüllte Microvias X-Cool Rahmentechnik ∆T=2,4°C ∆T=1,1°C ∆T=0,5°C ∆T=0,5°C Flügel Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen IMS - Insulated Metal Substrate Leiterbild auf Alu-Träger, dazwischen eine dünne Isolation Hersteller Typ Stärke ≥ Leitfähigkeit (Datenblatt) Bergquist MP HT HPL 75 µm 75 µm 38 µm 1,3 W/mK 2,2 W/mK 3,0 W/mK Denka HITT PLATE 85 µm 4,0 W/mK DuPont CooLam LX 17 µm 0,8 W/mK div. div. 75 µm ~1 W/mK ANDUS Zerogap 4 µm 15% besser als HPL Für 90% der LED-Anwendungen reicht einfaches Material. Die mechanische Bearbeitung bestimmt den Preis der Leiterplatten. Nutzengestaltung optimieren: >2 mm Fräsradien, ggf. Ritzen Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen IMS Leiterplatten Wichtig: Kleine IMS-Leiterplatten müssen i.d.R. an einen Kühlkörper, … montiert werden, um die Wärme weiterzuleiten. Sonst ist die Leiterplatte nicht besser als eine normale einseitige Leiterplatte mit großen Kathodenpads. ohne Kühlung ≈ ohne Kühlung Warum? Ohne Wärmeabgabe durch Kühlkörper, Heatpipes, … erwärmt sich die Leiterplatte im Ganzen, weil die Luftkühlung den schlechtsten Wärmeübergang im Gesamtverlauf darstellt. Beispiel: P = Verlustleistung [W] P = 10 W ∆T = P / (α A) α = Wärmeübergangskoeffizient [W/m²K] α = 10 W/mK (Luft) A = Oberfläche [m²] A = 40x40 mm² x2 ∆T = 310 K Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Anwendungsprojekt: Elektrifizierung von Gaslaternen Berlin: 40.000 Laternen à ~1800 W = 13 Mio€ Gas /Jahr 2006 2010 2013 2007 2001 2009 2012 1999 2011 Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung 2002 2005 Dr. Christoph Lehnberger, 2008 Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Anwendungsbeispiel Gaslaternen (Projektbilder) Thermosimulation Montage (IMS) Montage (Flex auf Cu) Montage Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Projektergebnis LED-Gaslaterne 1x elektrisch 1x gasbetrieben Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen LED-Gaslaterne: die Realität Leuchtstoff-Lampe Modell Jessica 36 W: Faktor 50 weniger Energie, 1 Mio€: Faktor 12 geringere Energiekosten Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen LED-Gaslaterne: die Zukunft? Technik: Multilayer, auf Innenlagen aufgeschweißte KupferBändchen, thermische Vias Technik: Gebogenes IMS Quelle: Häusermann Quelle: Fela Fazit: Prüfen Sie Werbeversprechen durch Kosten-Nutzen-Vergleiche! Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Zusammenfassung LED-Kühlung Blick ins LED Datenblatt* Umgebungsbedingungen berücksichtigen Wärmespreizung verbessern, -isolationen reduzieren Gesamten Wärmepfad betrachten (LED>Umgebung) - Kühlflächen vergrößern (im Layout, Heatsink, Gehäuse) - Thermovias einsetzen (normale, Microvias, Plugging) - IMS oder Heatsinks mit/ohne Direktanbindung einsetzen * BeispielLayout lt. Datenblatt: grüner Lack (fein) + weißer Lack (grob) Lassen Sie sich beraten: - FED-Seminar „Elektronikkühlung“, - Ihr Expertenpool für Technologievergleiche, Thermosimulation, .. Planung per Daumenregeln und Thermosimulation Aufspüren von Verbesserungspotential durch Detailbetrachtungen Entwicklungszyklus schließen und wiederholen Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Kurze Pause für Ihre ? ! - Projekte - Fragen - Anmerkungen Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Strombelastbarkeit von Leiterbahnen P = I² · R = I² · ρ · l / b / h D Der „Wärmekreis“ definiert die Kühlfläche für P. δ Quelle: ADAM Research Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung δ = √(λD)/(2α) Problem: D und λ sind klein, somit ist die Wärmespreizung nur über ~1 mm wirksam. Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Strombelastbarkeit nach IPC 2221 (aus MIL-STD 275) Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Strombelastbarkeit nach IPC 2221 Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Korrektur der IPC 2221-Nomogramme (I) Außen- und Innenlagen verhalten sich ~identisch. Die Innenlagen-Grafen sind ungültig = (II) Der Lagenaufbau spielt eine große Rolle (siehe unten) Design News, IPC 2221 ~IPC 2152 (Urspr. 1956) 0,1 Bsp: 2 A Abschätzung per Software, berücksichtigt I, III (& IV) individuell 1,6 10 A 15 A 20 A 50 A (III) Verhältnis Breite:Höhe: breitere Leiter tragen mehr < (IV) Leiterbündel, Verbreiterungen, Umgebungsbedingungen, Bauteile, ... Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Vielen Dank an Dr. Johannes ADAM ADAM Research für seine Thermosimulations-Software TRM (Thermal Risk Management) Alle Thermogramme wurden mit TRM generiert. www.adam-research.de Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Beispiel Strombelastung in Flex Drehgelenk eines Kommunikationssatelliten 4 Meter, 4 Lagen à 70 µm Kupfer Randbedingungen: 2 Schirmlagen (☺ ☺ Wärmespreizung optimal) Mehrere Windungen ( „thermische Abschirmung“) Gehäuse: vergoldetes Alu ( geringe IR-Absorption) Vakuum: keine Konvektion ( Thermoskanne) Geringe & schlecht definierte Wärmeabgabe über - Berühtungspunkte des Flex mit dem Gehäuse - Anschlüsse an den Enden - Restabsorption durch Gehäusewand Thermosimulation kaum sinnvoll Praxistests im Labor (Weltraumbedingungen) Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Anwendungsprojekt: 3 Phasen Umrichter TU = 40°C 120°°C 210+ µm Cu 152°°C Strom = 15% Heizung kein Engpass. 6x 4 W machen 85% der Aufheizung aus. Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Zweiter Ansatz: Layoutoptimierung bzgl. Wärmeverteilung 136°°C 152°°C Bei bester Wärmeverteilung wäre T= 131°C. nur bessere Kühlung hilft. Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Dritter Ansatz: L1 - Gehäuse als Kühlkörper: 6 Dome - 4 Lagen mit innen 2x 400 µm Kupfer: durch die bessere Kühlung muss die Wärmespreizung angepasst werden. 68°°C L2/L3 L4 Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Vierter Ansatz: - Layoutoptimierung, Thermische Vias, ... - Kühlring 10 mm umlaufend auf BOT L1 54°°C L2/L3 L4 Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Fünfter Ansatz: - Preiswerter Aufbau: - 2x 210 µm Cu + vollflächiges Heatsink TU = 40°C Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Fazit: Ein iterativer Ansatz kann (pimpen & vereinfachen) für komplexe Aufgaben lehrreich und zielführend sein. Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Falls Sie einmal den Überblick verloren haben Die Temperatur-Treppe: das Optimierungs-Tool Große Temperaturgefälle im Wärmepfad suchen Verbesserungen gezielt einbauen T Ort Bauteil … LP Ort1 … LP Ort x … Umgebung Fazit: Bitte nicht nur Tmax bewerten und sich nicht nur an den bunten Thermogrammen erfreuen. Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger, Hitzetod elektrischer Baugruppen Ursachen im Vorfeld lokalisieren und beseitigen Vielen Dank für Ihr Interesse! Dr. Christoph Lehnberger [email protected] +49 30 610006-81 www.andus.de Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung Dr. Christoph Lehnberger,
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