Aluminium-Leiterplatte mit hoher Wärmeleitfähigkeit: Warum ein besseres Dielektrikum die Temperatur nicht proportional senkt

Ein wiederkehrender Vorgang: Der Prototyp wird wärmer als vorgesehen, der Entwickler geht zurück zur Aluminium-Leiterplatte und wechselt das Dielektrikum von einer Standardklasse auf eine Klasse mit höherer Wärmeleitfähigkeit. Im Datenblatt verdoppelt sich der Kennwert mehr als. Der neu aufgebaute Prototyp läuft tatsächlich kühler, aber deutlich weniger als die Datenblattänderung erwarten ließ. Manchmal sind es zehn oder zwanzig Prozent, manchmal ist der Unterschied kaum messbar. Die niedergeschriebene Schlussfolgerung lautet dann meist: Das Material des Lieferanten entspricht nicht seinem Datenblatt.

Diese Schlussfolgerung ist fast immer falsch. Das Datenblatt nennt die Volumen-Wärmeleitfähigkeit einer Materialschicht. Der Temperaturanstieg ist das Ergebnis einer gesamten Wärmewiderstandskette. Das sind keine Größen derselben Ebene. Nur ein Abschnitt der Kette hat sich geändert, alles andere blieb unverändert. Die Gesamtverbesserung konnte nie der Verbesserung dieses einen Abschnitts entsprechen.

Die technische Folge wiegt schwerer als die Enttäuschung. War das Dielektrikum von Anfang an nicht der dominierende Abschnitt, dann kauft das dort ausgegebene Geld eine Verbesserung, die die übrigen Abschnitte verdünnen. Um zu wissen, wo das Geld hingehört, muss die Kette aufgetrennt werden.

1. Wärme durchläuft fünf Abschnitte, nicht einen

Bei einem Leistungsbauteil auf einer Aluminium-Leiterplatte durchläuft die Wärme vom Chip aus der Reihe nach folgende Grenzflächen und Materialien:

1. Im Bauteil, von der Sperrschicht zur unteren Anschlussfläche. Vom Bauteilhersteller festgelegt und in dessen Datenblatt angegeben. Bei der Auswahl kann ein anderes Bauteil gewählt werden, dieser Abschnitt selbst ist nicht veränderbar.
2. Lötstelle und Montagegrenzfläche. Die Lotschicht zwischen Bauteilunterseite und Kupfer der Leiterplatte. Lot leitet selbst nicht schlecht, aber der tatsächliche Widerstand dieses Abschnitts hängt stark davon ab, ob die Füllung vollständig ist. Hohlräume unter einer thermischen Anschlussfläche zwingen den Wärmestrom zum Umweg.
3. Querausbreitung im Kupfer. In das Kupfer eingetretene Wärme läuft nicht direkt nach unten. Sie breitet sich erst in der Kupferebene aus und tritt dann durch das Dielektrikum. Die Ausbreitungsfläche bestimmt den wirksamen Querschnitt für den nächsten Abschnitt.
4. Das Dielektrikum. Dies ist der Abschnitt, den der Kennwert im Datenblatt beschreibt. Es ist der einzige Abschnitt der Kette, dessen Material deutlich schlechter leitet als Metall, weshalb er als Engstelle behandelt wird. Manchmal ist er das tatsächlich.
5. Das Metallsubstrat sowie die Grenzfläche zwischen Leiterplatte und Kühlkörper. Das Aluminiumsubstrat selbst leitet gut und trägt meist wenig bei. Die Schicht zwischen Leiterplattenrückseite und Kühlkörper hingegen — Wärmeleitpaste, Wärmeleitpad oder direkte Verspannung — wird vollständig durch die Montage bestimmt und schwankt erheblich.

Die Reihenschaltung dieser fünf Abschnitte macht zwei Dinge unmittelbar deutlich.

Erstens ist das Dielektrikum ein Abschnitt von fünf. Selbst wenn es ein Drittel der gesamten Kette ausmacht, verbessert eine Halbierung die Kette um etwa ein Sechstel. Das ist die Rechengrundlage für den Befund, dass sich der Datenblattwert verdoppelt und die Temperatur um fünfzehn Prozent sinkt. Das ist keine Falschangabe, sondern das Verhalten von Reihenwiderständen.

Zweitens liegen drei der fünf Abschnitte außerhalb der Materialauswahl. Abschnitt 1 gehört dem Bauteilhersteller, Abschnitt 2 dem Montageprozess und die zweite Hälfte von Abschnitt 5 der Endmontage. Die Materialauswahl erreicht die Abschnitte 3 und 4 sowie die erste Hälfte von Abschnitt 5.

2. Welcher Abschnitt dominiert, hängt vom Aufbau der Platte ab

Auf die Frage, ob das Dielektrikum die Engstelle ist, gibt es keine allgemeine Antwort. Sie hängt vom Entwurf ab, und mehrere Anzeichen lassen sich ohne Messtechnik beurteilen:

• Kleine Wärmequellenfläche bei hoher Leistungsdichte erhöht das Gewicht von Abschnitt 3. Die Wärme wird nach unten gezwungen, bevor sie sich ausgebreitet hat, das Dielektrikum sieht also eine kleine wirksame Fläche. Hier hilft ein besser leitendes Dielektrikum merklich — ebenso aber dickeres Kupfer oder eine größere thermische Kupferfläche, häufig in vergleichbarem Maß und zu geringeren Kosten.
• Große Wärmequellenfläche bei moderater Leistungsdichte senkt den Anteil des Dielektrikums, und Abschnitt 5 wird häufig zum dominierenden. In solchen Entwürfen erzeugt ein Dielektrikum-Upgrade am ehesten Kosten ohne Wirkung.
• Bauteile mit thermischer Anschlussfläche an der Unterseite tragen die größte Unsicherheit in Abschnitt 2. Ist die Füllung unter der Fläche inkonsistent, kann die Streuung des Temperaturanstiegs zwischen Platten einer Charge den gesamten Nutzen eines Dielektrikum-Upgrades übersteigen. Anders gesagt: Ein Problem der Prozesskonstanz verdeckt eine Materialverbesserung vollständig.
• Aufbauten, die Wärme über Metallgehäuse oder Kühlkörper abführen, sollten Abschnitt 5 nahezu immer zuerst prüfen. Er ist der einzige Abschnitt außerhalb der Kontrolle des Leiterplattenlieferanten und häufig der größte.

Daraus folgt die praktische Reihenfolge: Abschnitte 2 und 5 ausschließen, bevor Upgrades an 3 und 4 besprochen werden. Der Grund sind die Kosten, nicht die Theorie. Die ersten beiden sind Montage- und Prozessfragen und erfordern zum Ausschluss keine Stücklistenänderung und keinen neuen Prototypenlauf. Ein Material-Upgrade bedeutet neuen Lagenaufbau, neue Kalkulation und neue Qualifizierung. Erst die billigere Hälfte.

3. Die von der Fertigung bestimmten Abschnitte sind die unsichtbaren

Zwei Abschnitte werden in ihrem tatsächlichen Verhalten während der Fertigung festgelegt, und das Datenblatt beschreibt keinen von beiden.

Wie gut das Dielektrikum tatsächlich angebunden ist. Der Datenblattwert setzt voraus, dass diese Schicht durchgehend und dicht ist und vollständig an den Flächen darüber und darunter anliegt. Hinterlässt das Verpressen örtliche Spalte, liegt der tatsächliche Widerstand dieses Abschnitts über dem gerechneten Wert, und zwar ungleichmäßig — ein Spalt unmittelbar unter der Wärmequelle und ein Spalt am Plattenrand haben völlig unterschiedliche Folgen. Der Mechanismus gehört zur gleichen Familie wie Hohlräume und Delamination beim Verpressen von Multilayern; der Kontrollansatz ist in Vermeidung von Hohlräumen und Delamination beim Verpressen beschrieben.

Die Anbindung zwischen Kupfer und Dielektrikum. Ihr direkter Beitrag zum Wärmewiderstand ist gering, aber sie entscheidet, ob der vorige Abschnitt über die Zeit Bestand hat. Platten mit schwacher Grenzflächenanbindung verschlechtern sich über Temperaturwechsel: Bei Auslieferung liegt der Widerstand im Budget, nach einiger Betriebszeit steigt der Temperaturanstieg an.

Beiden gemeinsam ist: Keiner lässt sich am Aussehen einer fertigen Platte beurteilen, und keiner wird durch verschärfte Eingangsprüfung gelöst. Sie sind nur über Prozessnachweise nachvollziehbar. Umsetzbar ist für den Entwickler nicht, einen Wärmewiderstandsmesswert anzufordern, sondern den thermisch kritischen Bereich im Auftrag zu benennen — welche Stelle unter der Hauptwärmequelle liegt und dass dort örtliche Spalte nicht akzeptiert werden — damit die Platte als thermisch kritisches Teil geführt wird und nicht als allgemeine Aluminium-Leiterplatte. SKPCB betreibt mehrere fertigungsbegleitende Prüfstationen (Q-GATES) und nimmt nach dem Rahmenwerk IPC-6012 ab (QC-IPC). Dabei ist Genauigkeit angebracht: Diese Prüfstationen beantworten, dass die Platte den Abnahmeanforderungen entspricht; das ist nicht die Aussage, dass ihr Wärmewiderstand Ihrem gerechneten Wert entspricht. Letzteres muss am eigenen Aufbau verifiziert werden.

4. Was anzugeben ist und was nicht zu erwarten ist

Lautet das Ergebnis, dass das Dielektrikum tatsächlich angehoben werden soll, gehört zum Lieferanten:

• Lage und Ausdehnung des thermisch kritischen Bereichs, nicht nur die Angabe einer hochwärmeleitenden Aluminium-Leiterplatte. Der Lieferant muss wissen, welche Fläche keine örtlichen Fehler tragen darf.
• Die Entwurfsabsicht der thermischen Kupferfläche. Die Querausbreitung in Abschnitt 3 hängt vom Kupferlayout ab. Wird die thermische Fläche zum Routen zerschnitten, gibt man einen Teil des Material-Upgrades zurück. Das gehört in die Entwurfsphase, nicht in die Materialauswahl als Abhilfe.
• Betriebstemperaturbereich und Temperaturwechselbedingungen. Sie betreffen das Langzeitverhalten der Grenzfläche, eine andere Frage als eine einmalige Temperaturmessung.
• Die Art der Befestigung der Rückseite am Kühlkörper. Sie bestimmt Abschnitt 5. Der Leiterplattenlieferant kontrolliert ihn nicht, aber er bestimmt die letztlich beobachtete Temperatur und treibt zudem die Anforderung an die Planarität.

Ebenso wichtig ist, was nicht zu erwarten ist. Erwarten Sie nicht, dass das Verhältnis der Datenblattwerte dem Verhältnis der Temperaturverbesserungen entspricht — die fünf Reihenabschnitte erklären, warum. Und nutzen Sie keinen einzelnen Temperaturmesspunkt, um zu entscheiden, welcher Abschnitt schuld ist. Derselbe Temperaturanstieg kann fünf verschiedene Ursachen haben, und ohne Trennung gibt es keine Zuordnung.

Ist der Weg über das Dielektrikum ausgeschöpft und das Wärmebudget weiterhin nicht erfüllt, ist es keine Frage des Dielektrikums mehr, sondern eine Entscheidung über Substrat oder Plattentyp. Zur Wahl zwischen Aluminium- und Kupfersubstrat siehe die Fertigungskriterien für die Substratwahl bei Metallkern-Leiterplatten. Zur Dreifach-Abwägung zwischen Wärmeleitfähigkeit, Spannungsfestigkeit und Dünne des Dielektrikums samt Zeichnungsangabe siehe die Abwägung beim Dielektrikum der Aluminium-Leiterplatte. Reicht ein Metallkern nicht mehr aus, ist der nächste Schritt ein Keramiksubstrat; die Prozessrouten behandelt Material- und Prozesswahl bei Keramiksubstraten. Die Bearbeitungsgrenzen von Aluminiumplatten sind ein eigener Satz von Randbedingungen, siehe Fertigungs- und Bearbeitungsgrenzen bei Aluminium-Leiterplatten. Der Produkteinstieg ist Aluminium-Leiterplatte, das Qualitätsrahmenwerk ist unter Qualität beschrieben.

FAQ

F: Der Datenblattwert hat sich verdoppelt. Um wie viel sollte der Temperaturanstieg sinken?

Es gibt kein anwendbares Verhältnis. Der Temperaturanstieg wird von der gesamten Kette von der Sperrschicht bis zum Kühlkörper bestimmt, und das Dielektrikum ist ein Abschnitt davon. War dieser Abschnitt ein Drittel des Ganzen, verbessert eine Halbierung die Kette um etwa ein Sechstel; war er ein Fünftel, ist die Verbesserung noch geringer. Eine Abschätzung erfordert den Anteil dieses Abschnitts in Ihrer konkreten Platte, und der hängt von Wärmequellenfläche, Kupferlayout und Montagegrenzfläche ab, nicht vom Materialdatenblatt.

F: Wie finde ich heraus, welcher Abschnitt in meinem Entwurf dominiert?

Durch Ausschluss, vom Günstigsten aufwärts. Zuerst die Montagegrenzfläche (Abschnitt 5), denn ein Wechsel des Grenzflächenmaterials oder erneutes Verspannen kostet am wenigsten. Dann die Füllkonstanz bei Bauteilen mit unterer thermischer Anschlussfläche (Abschnitt 2), erkennbar daran, ob der Temperaturanstieg innerhalb einer Charge streut. Sind beide ausgeschlossen und ist die Wärmequelle klein bei hoher Leistungsdichte, verlagert sich die Aufmerksamkeit auf Kupferausbreitung und Dielektrikum (Abschnitte 3 und 4). Diese Reihenfolge besteht, weil die ersten beiden keine Stücklistenänderung und keinen neuen Prototyp erfordern.

F: Platten derselben Charge zeigen deutlich unterschiedlichen Temperaturanstieg. Ist das ein Materialchargenproblem?

Chargenstreuung ist eine mögliche Ursache, aber meist nicht die erste. Häufiger sind die Füllkonstanz der Lötstelle an der Montagegrenzfläche oder die Verspannungskonstanz an der Kühlkörpergrenzfläche. Beide erzeugen Streuung innerhalb einer Charge, während Materialchargenstreuung eher zwischen Chargen auftritt. Die diagnostische Frage ist, ob die Streuung innerhalb oder zwischen Chargen liegt.

F: Kann ich beim Leiterplattenlieferanten den Wärmewiderstand dieser Platte erfragen?

Mit einer solchen Zahl ist vorsichtig umzugehen. Ein Leiterplattenlieferant kann kontrollieren und nachweisen, dass Material und Prozesse der Vereinbarung entsprechen. Der Wärmewiderstand ist eine Eigenschaft der gesamten Kette und hängt von Bauteil, Lötstelle, Kupferlayout und Endmontage ab, die überwiegend außerhalb seiner Grenze liegen. Verlässlicher ist, den thermisch kritischen Bereich und die Nichtakzeptanz von Fehlern dort in die Auftragsanforderungen zu schreiben und den tatsächlichen Temperaturanstieg am eigenen Aufbau zu verifizieren.

F: Dickeres Kupfer oder besseres Dielektrikum — was lohnt sich?

Das hängt von der Leistungsdichte der Wärmequelle ab. Bei kleiner, dichter Quelle wird die Wärme nach unten gezwungen, bevor sie sich im Kupfer ausgebreitet hat; dann vergrößert mehr Kupferdicke oder eine größere thermische Kupferfläche den wirksamen Querschnitt des nächsten Abschnitts und bringt oft einen Nutzen vergleichbar mit einem Dielektrikum-Upgrade, zu geringeren Kosten. Ist die Wärmequelle bereits groß, ist die Querausbreitung nicht die Engstelle und dickeres Kupfer bringt wenig. Zu beachten ist, dass die Kupferdicke auch Routing und Ätzen beeinflusst und damit keine rein thermische Entscheidung ist.