Metallkernleiterplatten | ims pcb

Unter Metallkernleiterplatten bzw. IMS Leiterplatten versteht man klassische Leiterplatten, für deren Trägermaterial Metall statt Epoxid verwendet wird. Dieser Metallkern, in der Regel aus Aluminium oder Kupfer, ist von den Leiterbahnen durch eine bedingt wärmeleitende, dielektrische Lage getrennt. Die von den elektronischen Bauteilen produzierte Verlustwärme wird der Metalllage zugeführt und von dort idealerweise an die Umgebung abgegeben.

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Metallkernleiterplatten und Metallträgerplatten. Während es sich bei Ersteren um einen tatsächlichen Leiteraufbau auf (asymmetrisch) bzw. um einen Metallkern herum (symmetrisch) handelt, werden bei Metallträgerplatten klassische FR4 Schaltungen auf Epoxidharzbasis mit einem Metallträger verbunden.

Die zunehmende Bauteildichte und Verwendung von leistungsstarken Komponenten fordert ein verbessertes Wärmemanagement und Wärmeableitung bereits auf Ebene des Trägermaterials und der Leiterplatte. Neben den steigenden Anforderungen an die Leistung, gilt es vor allem Funktion und Lebensdauer langfristig zu gewährleisten. Hervorragende Wärmeleitwerte machen IMS Leiterplatten zur ersten Wahl, wenn traditionelle Lösungen wie Vias nicht mehr ausreichend sind oder aktive Kühlung in schlechter Relation zu den Kosten stehen.

FELAM Q-FLEX | 3d ims pcb

Bedingt durch die Miniaturisierung der Elektronik sind die Platzverhältnisse in den letzten Jahren deutlich geschrumpft. Die logische Konsequenz, Volumen statt nur Fläche zu nutzen, führte zur Entwicklung der Starflex-Technologie. Diese Hybridsysteme vereinen die Eigenschaften von starren und flexiblen Schaltungsträgern in einem Produkt. Starflex-Systeme bestehen aus einem flexiblen Basismaterial, einer ein- oder doppelseitig beschichteten Trägerfolie aus Polyester oder Polyimid. Die Materialien unterscheiden sich neben der Polyimiddicke hauptsächlich durch ihre Klebersysteme (kleberlos bzw. auf Epoxid- oder Acrylbasis) sowie durch die Kupferqualitäten. Mehrdimensionale FR4 Leiterplatten lassen sich mit verschiedenen Verfahren, Aufbauvarianten und Materialien konstruieren. Jedes der drei Verfahren nutzt andere Aufbauten und hat andere technische Eigenschaften, konstruktive Vorteile und Grenzen. So kann die Biegung z. B. über Polyimid und Kupfer, über einen FR4 Reststeg und Kupfer oder über Kupferdraht und Kupferprofil erfolgen.  

FELA ist der erste Leiterplattenhersteller, der eine vergleichbare Technologie auf Basis von IMS Technik entwickelt hat. Die hier beschriebene und von der FELA GmbH patentierte Technik FELAM Q-FLEX nutzt die IMS Leiterplatte für eine erste Positionierung der LEDs, sodass auch mit Standard Linsen eine homogene und großflächige Ausleuchtung möglich ist. Sie ermöglicht die Verformung auch massiver Metallkernleiterplatten in dreidimensionale Gestalt ohne Beeinträchtigung der Leiterstrukturen.

 

Als Basismaterial dient üblicherweise Aluminium, in seltenen Fällen auch Kupfer. Um den thermischen Ansprüchen gerecht zu werden, werden oft für Leiterplattenverhältnisse dicke Basismetalle mit bis zu 4 mm Stärke verwendet.

 

Die mechanische Verformung der Leiterplattenmodule nach dem Assemblierungsprozess erfordert vom Standard abweichende Aufbauten und Materialien. Metall, elektrische Isolation und deren Schichtstärken sowie auch das Kupferlayout müssen auf den Biegeprozess abgestimmt sein. Diese Technik ermöglicht den Spagat zwischen der gewünschten Formgebung und optimaler Bauteilentwärmung.

 

Die hier beschriebene und von der FELA GmbH patentierte Technik FELAM Q-FLEX nutzt die IMS Leiterplatte für eine erste Positionierung der LEDs, sodass auch mit Standard Linsen eine homogene und großflächige Ausleuchtung möglich ist. Sie ermöglicht die Verformung auch massiver Metallkernleiterplatten in dreidimensionale Gestalt ohne Beeinträchtigung der Leiterstrukturen.

 

 

FELAM TOUCHDOWN

LED- und Hochleistungselektronik stellen große Herausforderungen an das Wärmemanagement von Leiterplatten. Während Aluminiumplatinen heute gängiger Standard sind, greift man für extreme Anforderungen auf Leiterplatten mit einem Kupferkern zurück. Die direkte Anbindung eines Bauteils an den Kupferkern ist thermotechnisch die beste bekannte Möglichkeit, die Entwärmung von Bauteilen zu ermöglichen.

Die FELA GmbH hat unter der Bezeichnung FELAM TOUCHDOWN einen speziellen Aufbau entwickelt, der höchsten thermischen Anforderungen gerecht wird. Als Kernmaterial wird, in Abhängigkeit von den mechanischen und thermischen Bedingungen, eine bis zu 3 mm starke Kupferlegierung mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 400 W/mK verwendet. Kombiniert wird der Kern mit einem sehr dünnen Dielektrikum von ca. 30 bis 40 µm Stärke, dies stellt für die meisten Fälle eine ausreichende Durchschlagsfestigkeit sicher.

Durch die Verwendung von Kupfer als Basismaterial kann das Gehäuse bzw. der Heat Sink des Bauteils direkt auf den Kupferkern verlötet werden, während die elektrischen Anschlüsse auf der Leiterlage angebunden werden. Der bisherige Flaschenhals des Wärmemanagements, das thermisch hinderliche Dielektrikum kann so umgegangen werden. An dessen Stelle tritt das ohnehin schon vorhandene Lötzinn mit einem im Vergleich sehr guten Wärmleitwert.

FELAM POWERRAIL

Insbesondere im Bereich der Hochstrom und temperaturkritischen Anwendungen kommt seit einigen Jahren verstärkt die Dickkupfertechnik zum Einsatz. Über „massive“ Kupferleitungen wird versucht, die in den Leistungsbauteilen entstehende Wärme abzuführen. Unter Verwendung von FR4 bieten mittlerweile einige Hersteller Spezialtechniken an, z. B. „Iceberg“ (KSG), „Inlay-Board“ (Schweizer Elektronik) oder „Wirelaid“ (Würth Elektronik) und „X-Cool“ (Andus Elektronik). Diese Technologien sind teilweise händisch sehr aufwendig und bieten nur eine geringe Verbesserung der Entwärmung. Darüber hinaus muss der Anwender sich grundsätzlich zwischen Wärmemanagement oder Stromtragfähigkeit entscheiden, da die Kombination aus beidem mit FR4 nur bedingt lösbar ist.  
  FELA fertigt unter der Bezeichnung „FELAM POWERRAIL“ als einziger Hersteller Metallkernleiterplatten mit unterschiedlichen hohen Potenzialen innerhalb eines Systems. Der Kupferkern (1 – 3 mm Stärke) des Leiterplattensystems wird in einzelne, gegeneinander elektrisch isolierte Abschnitte getrennt. Auf dem so parzellierten Kern werden symmetrisch oder asymmetrisch weitere Lagen aus Kupfer aufgebaut und durch- bzw. kontaktiert. Ein derartiger Aufbau ergibt enorme Leitungsquerschnitte, der Transport hoher Ströme verursacht dadurch keine zusätzliche Wärme im System. Die Wärmekapazität des Kupferkerns und der Leiterbahnen ist darüber hinaus ausreichend, um die an wärmekritischen Bauteilen entstehende Energie aufzunehmen, zu verteilen und in Richtung Kühlkörper abzutransportieren. Potenzialfreie Partien des Kupferkernes können zusätzlich direkt mit dem Gehäuse oder einem Kühlkörper zur Wärmeabfuhr mittels Konduktion genutzt werden.  

FR4 HEATSINK

Unter den Markennamen „Metal-Plate“ (Ruwel), FELAM THERMOCOIN (FELA GmbH) kamen in den letzten Jahren Kombinationen von FR4 Leiterplatten mit partiell eingebrachten Kupfereinlagen auf den Markt. Da es sich hierbei um FR4 handelt, jedoch massive Kupferinlays verarbeitet sind, wird diese als Hybridtechnik bezeichnet, weil diese eine Verbindung beider Technologien darstellen.

Ursprünglich kommen diese Technologien aus einer Zeit, in der man das Potenzial der IMS Technologie noch nicht voll erkannt hatte. Aufgrund der Entwicklung hin zur Miniaturisierung und immer leistungsstärkeren Bauteilen gab es zunehmend Probleme mit der Entwärmung bei der Verwendung von klassischen FR4 Schaltungen. Daher der Ansatz, solche Bauteile mit ihrem Gehäuse auf Kupfermünzen zu verlöten, die man an den kritischen Stellen in die Leiterplatte einsetzt.
Die Vorteile des Systems liegen in der sehr guten partiellen Entwärmung, die darüber hinaus eine generelle Erwärmung verhindert. Nachteilig ist allerdings, dass der Wärmefluss in Richtung eines Kühlkörpers unterhalb der Leiterplatte nur funktioniert, wenn die Kupfermünzen gleichmäßig und perfekt abgestimmt auf diesem zu liegen kommen.

Ihre Vorteile bei FELA

Konstruktion

Individuelle Aufbauten für das effektivste Wärmemanagement

i

Multilayer

Bis zu 8 Lagen Multilayer mit Metallkern möglich

Kooperation

Herstellung bei FELA Schwenningen und Standard IMS ungebogen aus Fernost beziehbar

Beratung

Beratungen und Service Leistungen bei der Auswahl des besten Trägermaterials

Erfahrung

17 Jahre Fachwissen über Metallkernleiterplatten

Kosten

Kostenreduzierung Ihres Produkts durch Einsparungen im Einkauf, Montage und Menge an Komponenten für eine gezielte dreidimensionale Leiterplatte

Produktion

Kostengünstige Produktion durch Hybridaufbauten von FR4 und IMS