Reicht FR-4 für die Entwärmung nicht aus, stehen meist drei Kandidaten zur Wahl: IMS-Aluminium (isoliertes Metallsubstrat), Kupferkern-Leiterplatte und Keramiksubstrat. Alle drei führen die Wärme vom Bauteil zum Kühlkörper, aber auf unterschiedlichem Weg, und jedes wird durch eine andere Randbedingung begrenzt. Zuverlässiger als der Vergleich einer einzigen Wärmeleitfähigkeit ist es, die Randbedingungen nacheinander zu prüfen und zu sehen, welcher Kandidat zuerst ausscheidet.
Aufbau der drei Substrate
| Merkmal | IMS-Aluminium | Kupferkern | Keramik |
|---|---|---|---|
| Aufbau | Kupferfolie / Polymer-Dielektrikum / Aluminiumplatte | Kupferfolie / Polymer-Dielektrikum / Kupferplatte; auch Sockelaufbau, bei dem das Thermopad direkt auf den Kupferkern geht | Metallschicht direkt auf Al₂O₃, AlN oder Si₃N₄ |
| Thermischer Engpass | Polymer-Dielektrikum | Polymer-Dielektrikum (beim Sockel umgangen) | Keramik selbst und Lötgrenzfläche |
| Isolation | Dicke und Material des Dielektrikums | Wie Aluminium; am Sockel liegt das Pad auf Kernpotenzial | Der Keramikkörper isoliert |
| CTE-Anpassung an Silizium | Schlecht | Schlecht | Gut; AlN und Si₃N₄ liegen näher an Silizium |
| Konturbearbeitung | Fräsen, Stanzen, V-Ritzen | Fräsen, mit höherem Werkzeugverschleiß als Aluminium | Spröde; Trennen oder Laser |
| Relative Kosten | Niedrig | Mittel | Hoch |
Die Unterschiede zwischen Aluminium und Kupfer in Bearbeitung und Bestückung behandelt Aluminium oder Kupfer als Metallkern.
Randbedingung eins: Wärmestromdichte
Ausgangspunkt ist die Wärmestromdichte unter dem Bauteilpad, also Verlustleistung geteilt durch Padfläche, nicht die Gesamtleistung der Platte. Ein LED-Streifen verteilt seine Wärme über eine große Fläche. Sie kann sich im Kupfer seitlich ausbreiten, bevor sie das Dielektrikum durchquert, und IMS-Aluminium genügt meist. Ein einzelner Leistungschip oder dicht gepackte Leistungsbauteile konzentrieren die Wärme. Dann dominiert das Polymer-Dielektrikum den Wärmewiderstand, und ein besser leitendes Dielektrikum senkt die Temperatur weniger, als das Datenblatt vermuten lässt. Warum, erklärt die Wärmewiderstandskette hochwärmeleitender Aluminium-Leiterplatten.
Bei konzentrierter Wärme bleiben zwei Wege. Ein Kupferkern mit Sockel lötet das Thermopad direkt auf das Metall und umgeht das Dielektrikum. Ein Keramiksubstrat verzichtet ganz auf die Polymerschicht.
Randbedingung zwei: Isolationsfestigkeit
Bei Aluminium- und Kupferkern trägt die Polymerschicht die gesamte Isolation. Eine höhere Prüfspannung verlangt ein dickeres Dielektrikum und damit einen höheren Wärmewiderstand; Wärmeleitung und Isolation konkurrieren um dieselbe Schicht. Ein Kupfersockel legt das Thermopad auf Kernpotenzial und taugt daher nur, wenn das Thermopad des Bauteils potenzialfrei ist oder geerdet werden darf.
Bei Keramik isoliert der Substratkörper selbst, und Isolation und Wärmeleitung konkurrieren nicht mehr um eine Schicht. Deshalb setzen Hochvolt-Leistungsmodule überwiegend Keramik ein. Welche Angaben eine Hochspannungsprüfung braucht, steht in Hipot-Prüfung bei Metallkern-Leiterplatten.
Randbedingung drei: CTE-Anpassung und Temperaturwechsel
Aluminium und Kupfer dehnen sich deutlich stärker aus als Siliziumchips und Keramikgehäuse. Bei kleinen Bauteilen und nachgiebigen Lötstellen spielt das kaum eine Rolle. Bei Nacktchipmontage, großen Keramikgehäusen oder harten Temperaturwechseln sammelt die Lotschicht Ermüdung an. In solchen Anwendungen kann ein Kupferkern den Wärmewiderstand erfüllen und trotzdem bei der Zyklenfestigkeit gegen Keramik verlieren. Die Wahl innerhalb der Keramik (Al₂O₃ oder AlN, DPC oder DBC) behandelt Keramik-Leiterplatten auswählen.
Randbedingung vier: Größe, Kontur und Lagenzahl
Aluminium eignet sich für lange Streifen und große Nutzen und lässt sich V-ritzen, passend für Beleuchtung und Netzteile. Kupferkern kostet bei Gewicht und Material deutlich mehr, und der Abstand wächst mit der Größe. Keramik ist spröde, Kontur und Bohrungen entstehen durch Trennen oder Laser, die Plattengröße ist durch die Keramikplatte begrenzt, und mechanisch belastete Befestigungspunkte sind ungeeignet.
Reihenfolge des Ausschlusses
- CTE-Anpassung auf Chipebene oder hohe Isolationsfestigkeit bei konzentrierter Wärme: zuerst Keramik prüfen.
- Konzentrierte Wärme, Thermopad darf auf Kernpotenzial liegen: Kupferkern mit Sockel prüfen.
- Verteilte Wärme, lange oder große Platten, kostensensibel: IMS-Aluminium prüfen.
- Wird Aluminium weiterhin zu warm, Kupferkern gegen besser leitendes Dielektrikum vergleichen und beides mit gemessenem Wärmewiderstand absichern.
Was in die Anfrage gehört
- Verlustleistung, Thermopadgröße, zulässige Sperrschicht- oder Padtemperatur
- Prüfspannung und Prüfbedingung; ob das Thermopad geerdet werden darf
- Temperaturbereich und Zyklenzahl für Temperatur- oder Lastwechsel
- Plattengröße, Konturverfahren, Befestigung und Ebenheit der Kühlkörper-Kontaktfläche
- Lagenzahl, Kupferdicke und Oberfläche
So arbeitet SKPCB
In der technischen Klärung prüft SKPCB Substrattyp, Dielektrikum, Kupferdicke und Konturverfahren gegen diese Angaben. Die verfügbaren Bereiche stehen auf den Produktseiten Metallkern-Leiterplatte, Aluminium-Leiterplatte und Keramik-Leiterplatte. Liegen die Angaben vollständig vor, können Sie direkt ein Angebot anfordern.
Zusammenfassung
Verteilte Wärme spricht für IMS-Aluminium, konzentrierte Wärme für Kupfersockel oder Keramik, hohe Isolationsfestigkeit und CTE-Anpassung auf Chipebene für Keramik. Die Wärmeleitfähigkeit ist nur eine Zahl unter mehreren: erst mit Wärmestromdichte, Isolation, CTE und Bearbeitung ausschließen, dann die verbleibenden Kandidaten vergleichen.
FAQ
F: Senkt ein besser leitendes Dielektrikum die Temperatur immer proportional?
A: Nein. Die Temperaturerhöhung hängt von der ganzen Widerstandskette ab, und bei verteilter Wärme ist das Dielektrikum nicht immer der größte Widerstand.
F: Kühlt ein Kupferkern immer besser als Aluminium?
A: Kupfer leitet besser als Aluminium, aber ein Standard-Kupferkern schickt die Wärme durch dieselbe Art Polymer-Dielektrikum. Den deutlichen Unterschied bringt der Sockelaufbau mit direkter Anbindung des Pads.
F: Wann ist Keramik notwendig?
A: Wenn hohe Isolationsfestigkeit auf konzentrierte Wärme trifft oder bei Nacktchipmontage mit hohen Anforderungen an Temperaturwechsel.
F: Was begrenzt einen Kupfersockel?
A: Das Thermopad liegt auf Kernpotenzial und muss potenzialfrei sein oder geerdet werden dürfen.
F: Gibt es große Keramiksubstrate?
A: Die Größe ist durch die Keramikplatte begrenzt, die Kontur wird getrennt oder gelasert. Lange Streifen sind meist Aluminium.
F: Wie wird die Auswahl abgesichert?
A: Wärmewiderstand am realen Aufbau messen (etwa nach ASTM D5470) und eine Hochspannungsprüfung durchführen, statt Datenblätter zu vergleichen.