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Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elekt ronikfertigung Aluminium in Leiterplatten, Dr. Chris toph Lehnberger, ANDUS
Aluminium in der Leiterplatte
Fremdkörper oder Nutzbringer?
Dr. Christoph Lehnberger, Projektmanager
- Berlin
www.andus.de
19. FED-Konferenz, Würzburg, 15. September 2011
Ihr Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elekt ronikfertigung Aluminium in Leiterplatten, Dr. Chris toph Lehnberger, ANDUS
Inhalt
1 Vergleich von Aluminium und Kupfer
2 Heatsink & Co
3 Kabel
4 Aluminiumleiter in flexible Leiterplatten
5 Hochstromanwendungen
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1 Vergleich Aluminium Kupfer
Gewinnung
Bauxit Kupfererz
Reinigung Verhüttung
Elektrolyse Elektrolyse
Primärenergieverbrauch
150 kWh/kg Aufbereitung 20 kWh/kg für Erzaufarbeitung
15 kWh/kg Elektrolyse 0,3 kWh/kg Elektrolyse
Ressourcen, Verfügbarkeit
8% der Erdkruste Offene Mienen reichen bis 2035.
(häufigstes Metall)
Preis
2 €/kg oder 5 €/dm³ 7 €/kg = 60 €/dm³
Rotschlamm
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1 Vergleich Aluminium Kupfer
Elektrische Leitfähigkeit
Al 99,5: σ-1 = 2,7 µΩ cm σ-1 = 1,7 µΩ cm (-40%)
Thermische Leitfähigkeit
Al 99,5: λ = 220 W/mK λ = 385 W/mK (-40%)
Dichte
Al 99,5: ρ = 2700 kg/m³ ρ = 8900 kg/m³ (×××× 3,3)
Ein Alu-Kabel wiegt nur halb so viel wie ein Kupferkabel von gleichem Widerstand bzw. gleicher Stromtragfähigkeit.
Die Metallkosten für ein Kabel gleicher Stromtragfähigkeit sind bei Kupfer 5fach höher als bei Aluminium.
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1 Vergleich Aluminium Kupfer
CTExy
Al 99,5: 24 ppm/K 16,6 ppm/K
FR4: 16 ppm/K
Verwölbung im Schichtverbund(Bimetalleffekt), wenn keines der Materialien dominiert.(E-Moduln, Stärken, Symmetrie)
AlGrafit: 8 ppm/K Verwölben von Cu-FR4-VerbundAlSi25: 17 ppm/K durch Aushärten von Prepregs
Alu dominiert
FR4 dominiert
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2 Heatsink & Co
Heatsink = Wärmesenke, Isotherme, Kühlblech, Kühlkö rper
Metallteil mit direktem Kontakt zur Wärmequelle, zur Wärmeableitung.(Wärmeleitung ist sehr viel effektiver als Wärmeübergang an die Luft)
Je nach Anwendungfindet man sehr unterschiedlicheHeatsink-Typen
Aluminium-Isotherme
Wärmetransport
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2 Heatsink & Co
Heatsink in der historischen Definition
Eloxiertes Aluminium / Kupfer-Blech = individueller, flacher Kühlkörper
Thermische Anbindung der heißen THT-Bauteile über direkten Kontakt, nicht über die Pins Leiterplatte Kleber Heatsink.
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2 Heatsink & Co
Heatsinks für heutige SMD-Baugruppen
Alu/Kupfer-Blech oder Gehäuse als unterklebte Wärmesenke
Bauteilkühlung durch Direktmontage vonthermischen Vias Halbleiter auf Heatsink
THT-Bestückung oder TIM: thermisches Lagen zurKontaktierung von unten Interface-Material Wärmespreizung
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2 Heatsink & Co
Heatsinks für heutige SMD-Baugruppen
Beispiel: Industrie-PC im Aluminiumdruckgussgehäuse
1.
Quelle: elektroniknet.de
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Rahmentechnik
Chip-Direktmontage auf Heatsink
3mm Kupfer-Heatsink
Neue Version mit Alu-Heatsink
Bestückung mit 96 Hochleistungs-Peltier-Elementen
2 Heatsink & Co
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Multilayer SchwarzoxidKupferplatte 1 mm
Rahmentechnik
Beispiel mit Kupfer: Chip-Direktmontage auf Heatsink
2 Heatsink & Co
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Beispiel: 328 LEDs in Reihe: 300W / Modul
Problem:IMS Material nicht gut genug.AlN-Keramik zu teuer
Rahmentechnik
Heatsink mit getrenten Potentialen für Chips mit Rückseitenkontakt
2 Heatsink & Co
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Einseitiges Heatsink
IMS - Insulated Metal Substrate
LeiterbildIsolationHeatsink
Spezial-Isolierung: - bis 10fache Wärmeleitfähigkeit vs. FR4- für 1W-LEDs weit verbreitet.
Höchstleistungsmaterial (nicht frei erhältlich):HPL von Bergquist ANDUS (R&D)
Leitfähigk. 3 W/m K ? W/m KDicke: 38 µm < ? µm
2 Heatsink & Co
Aluminium-Wärmesenke
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Einseitiges Heatsink
Beispiel : IMS für 100 Hochleistungs-LEDs a 0,5W, 40x40 mm.
- Temperaturdifferenz zwischen Pad und Kühlkörper: 5 K
- Temperaturdifferenz zwischen Kühlkörper und Luft ist 500K!
der Kühlkörper ist nur für Impuls-Betrieb ausreichend groß.
2 Heatsink & Co
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Einseitiges Heatsink
Heatsink reicht für die Kühlpads der Bauteile bis an die Oberfläche.
- Heatsink ohne Isolationsschicht
- Standard SMD-Bestückungsprozess
- Auch in Alu denkbar. Zum Löten sind
Oberflächen im Sonderprozess nötig.
2 Heatsink & Co
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Einseitiges Heatsink
Dünne flexible Leiterplatten
auf Aluminiumträger
Für einfache SMD-LEDs
mittlerer Leistungsklasse
LED
Flex-LP
Kleber
Alu
2 Heatsink & Co
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Einseitiges Heatsink
Anwendungsbeispiel: eBike
Aufgabe : Antriebs-Steuerung für 500 A.
Technologie : 210 µm Cu auf Alu Heatsink
In Kühlkörper eingegossene Kondensatoren werden mitgekühlt.
Jede Heatsink-Konstruktion lässt sich individuell o ptimieren.
2 Heatsink & Co
www.erockit.net
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Metallkern als Heatsink
Aluminiumkern-Leiterplatten, Metallkernleiterplatten (im engeren Sinne)
Gegenüber externem Heatsink relativ aufwändige Produktion: Alu bohren, Pluggen, Laminieren, Bohren, DK, Leiterbild
- Beidseitig dichte SMD-Bestückung möglich- Einsatz von THT-Bauteilen möglich (Lötprozess angepasst)- Elektrische und thermisch direkte Anbindung nur in Sonderprozessen möglich.
2 Heatsink & Co
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Aluminium-Kabel
- In der DDR waren Hausinstallation und Münzen aus Alu üblich.
- Seit 10 Jahren im Einsatz für Batterie-Hauptstrang (Pkw).
(ein Pkw enthält ca. 50 kg Cu)
Probleme & Lösungen:
- Korrosion bei Kontakt mit Cu:
Alu verkupfern
- Kriechen:
gefettete Quetschhülsen, keine Lüsterklemmen
- Brandgefahr (Übergangswiderstand)
Verbot für Hausinstallationen
3 Kabel
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Kupfer-Aluminium-Verbundwerkstoffe
CCA Copper Clad Aluminum:(früher „AlCu“)
Verbund-Halbzeug Al-Cu oder Cu-Al-Cu
Cupal®:
Herstellung:
- Kaltwalzen
- Galvanisch
- Kupferspritzen
3 Kabel
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Bekanntestes Beispiel:
Herstellung:
- Bedrucken mit permanentem Ätzresist
- Alkalisches Ätzen
Wärmeerzeugende Reaktion, Wasserstoffentwicklung
nicht kompatibel mit herkömmlicher Leiterplattentechnik
4 Aluminiumleiter in flexible Leiterplatten
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5 Hochstromanwendungen
Bisherige Lösung mit Kupfer
Kupfer-Inlay (integriert), die Hochstromleiterplatte,
(Patent aus 2003, Lizenznehmer u.a. Schweizer El., Fernost-Herst., ...)
Einbetten von 1 - 3 mm Dickkupfer für
- hohe Ströme
- gute Kühlung
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Vorteile der Hochstromleiterplatte
maximaler Querschnitt an jedem Interface.
Standard-SMD-Bestückung
hohe Freiheitsgrade beim Design
Einsparung an Montageaufwand, -material und -zeit
5 Hochstromanwendungen
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Fertigungsschritte für die Hochstromleiterplatte
Präparation von Kupferteilendurch Fräsen, Ätzen, Stanzenje nach Form, Stückzahl und Größe
Rahmen fräsen
Multilayer verpressen
Fertigstellung
5 Hochstromanwendungen
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Beispiel
5 Hochstromanwendungen
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Aluminium für Hochstromanwenungen
Motivation:
- Gewichtsprobleme bei Elektroautos
- Preisprobleme bei Luft- und Raumfahrt
Ersatz von Hochstromleitern (Busbar) durch Aluminium.
Aktuelle Anwendung: Power Supply bis zu 1000 A mit 3 mm Alu.
Kontaktierungsverfahren: Bonden, Löten, Stecken, Klemmen, Quetschen
5 Hochstromanwendungen
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Zusammenfassung - Fazit
Aluminium birgt ungehobene Schätze für Leiterplatten.
Erfahrungen bei Herstellern und Anwendern sind kaum vorhanden.
Projekte sind immer Systemlösungen, die alle Bereiche einschließt:
Layout, Konstruktion, Leiterplatte, AVT, Montage, Peripherie
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Vielen Dank für Ihr Interesse.
Ihre Fragen und Anwendungen?