IMS (Insulated Metal Substrate) Aluminiumkernleiterplatten

Unsere IMS-Leiterplatten garantieren optimales Wärmemanagement gerade im Bereich von High-Power-LEDs.


...auch wenn es absolut heiß wird!

  • Mechanisch hochstabile Aluminiumkernleiterplatte
  • Einseitig mit oder ohne isolierte Bohrungen
  • Doppelseitige Leiterplatte mit Aluminiumkern
  • Sonderlösungen, z .B. biegbar auf Anfrage möglich
  • Perfekt für LED-Applikationen und Leistungsbauteile
  • Ultraweiß oder Tiefschwarz

Wir bieten Ihnen mehr als nur die Leiterplatte. Gerne können wir auch das Layout sowie die Bestückung für Sie übernehmen. Natürlich sind auch Komplettgeräte möglich.

Für kühle Rechner: Effiziente IMS-Lösungen von technboards!

Eigenschaften und Wirkungsweise von IMS-Materialien

Die steigenden technischen Anforderungen der Elektronikindustrie an elektronische und elektrische Geräte verursachen teils ein Temperaturproblem der Bauteile. Höhere Frequenzen, verkleinerte Bauweisen, zahlreichere Funktionen sowie eine maximierte Geräteleistung führen zu extrem hohen Temperaturen. Um dauerhafte Leistung, große Stabilität und eine lange Lebensdauer der Geräte zu gewährleisten, muss daher die Hitzeentwicklung kontrolliert werden.

Wofür ist ein Wärmemanagement der Leiterplatte notwendig?

Es ist häufig erforderlich, die Wärme von elektronischen Bausteinen abzuführen, um die Lebensdauer und die Funktionalität moderner Bauteile zu verbessern. Hier kommt die IMS-Technik zum Einsatz.

Haupteinsatzgebiete von IMS-Materialien

  • Automobil-Elektronik, z. B. Bremsen und Servolenkung, LED-Leuchten
  • Leistungselektronik, z. B. Gleichstromversorgung, Wechselrichter, Motorensteuerung
  • LED Lichttechnik, z. B. Displays, Bahnhofsbeleuchtungen, Leuchtschilder

 


Arten der Wärmeabführung

Wärme kann auf unterschiedliche Weise abgeführt werden, beispielsweise durch

  • Strahlung
  • Konvektion
  • Leitung – hier
    externe Kühlkörper
    interne Kühlkörper
    wärmeleitende Substrate


Das konventionelle Basismaterial für die Leiterplattenproduktion weist eine gute elektrische Isolation sowie exzellente wärmeisolierende Eigenschaften auf.

Durch den Einsatz thermisch leitfähiger Keramikfüller, wurde die Wärmeleitfähigkeit der Prepregs und Laminate optimiert, was die Produktion von Leiterplatten mit thermisch verbesserter Leitfähigkeit ermöglicht.  So können diese beispielsweise mit einem Kühlkörper verbunden werden.

Das IMS-Material ist ein Verbund aus Aluminium, thermisch leitendem Dielektrikum und Kupfer. Es ist als fertiges Substrat erhältlich oder kann jedoch auch individuell zusammengestellt werden. Die verwendeten Materialien weisen eine hohe mechanische Stabilität und ein breites Spektrum thermischer Leitfähigkeit für spezielle Anforderungen auf.

Wirkungsweise von IMS-Materialien

 















Die roten Pfeile stellen die Wärme dar. Die weißen Kreise sind die leitenden keramischen Partikel im Dielektrikum, welche die Wärme zum Aluminium transportieren.



Das Dielektrikum dient einerseits als Wärmeleiter, anderseits aber auch der Isolierung und Kontaktierung zwischen Kupfer und Aluminium. Das thermisch leitende Dielektrikum ist mit Keramikfüller entweder mit oder ohne Glasfaserverstärkung erhältlich. Aluminiumsubstrate werden auf Grund ihrer mechanischen Bearbeitkeit im Regelfalle bevorzugt. Alternativ können auch Substrate mit Kupfer oder Stahl eingesetzt werden.

Auswahl des richtigen IMS-Substrates

Zur Auswahl des für den jeweiligen Einsatz geeigneten IMS-Substrates sollten die in folgenden Tabellen genannten Eigenschaften berücksichtigt werden.

1. Dielektrikum

Dielektrikum
mit Glasfaserverstärkung
Dielektrikum
ohne Glasfaserverstärkung
Durchschlagsfestigkeithochniedriger
Kostenniedrighoch
Wärmeleitfähigkeitniedrigerhöher
Dickeneinheitlichkeitbesserschlechter

2. Einfluss des Dielektrikum-Füllers auf Wärmeleitfähigkeit und Durchschlagsfestigkeit

Füller TypWärmeleitfähigkeit
(W/mK)
Durchschlagsfestigkeit
bei 70% Füllanteil
Al2O325~40+ +
MgO25~40+
SiO29,6+
Si3N450-
BeO270-
SiC25~100- -
AlN120~220+
BN100~250+

++ sehr gut, + gut, - schlecht, - - sehr schlecht

Typische Eigenschaften von IMS-Substraten

Dicke Aluminium: 0,5 mm - 3 mm
Dicke Dielektrikum: 75 µm - 150 µm
Kupferschichtdicken: 18 µm - 410 µm
Wärmeleitfähigkeit: 0,4 - 0,8 W/mK (Glasfaserverstärktes Dielektrikum bis 2,5)

Wärmeleitfähigkeit (W/mK)
Kupfer380
Aluminium200
Fr40,4

Was versteht man unter Wärmeleitfähigkeit W/mK?

Die Wärmeleitfähigkeit ist nicht gleichzusetzen mit der Temperaturleitfähigkeit, also der Geschwindigkeit, mit der sich eine Temperaturveränderung durch das Medium ausbreitet.

Die Wärmeleitfähigkeit bezieht sich vielmehr ausschließlich auf die Wärmeleitung und nicht auf den Wärmetransport durch Konvektion oder Wärmestrahlung. Der Wärmeleitwert in Watt je Kelvin (W/K) ist die von der Abmessung eines Bauteils abhängige Kennzahl.

Die Wärmeleitfähigkeit wird an den Materialien gemäß ISO22007-2 mit der HOT-disk-Methode gemessen. Bei Fragen zur Norm, kontaktieren Sie uns bitte.

Bei der Auswahl des Materials muss auch die thermische Impedanz einzubezogen werden. Der thermische Widerstand (Rth) definiert den inneren Wärmewiderstand des Materials gegen einen möglichen Wärmefluss. Je geringer dieser Wert ist, desto besser kann die Wärme durch das Material abgeleitet werden. Die thermische Impedanz ist ähnlich charakteristisch wie Rth, jedoch grundsätzlich auf die feste Größe der Kontaktfläche bezogen.

Sollte die Durchschlagsfestigkeit für die Materialauswahl nicht ausschlaggebend sein, ist es häufig sinnvoller, das Dielektrikum dünner und die Wärmeleitfähigkeit geringer zu wählen. Somit erreicht man fast die gleiche thermische Impedanz (siehe Tabelle).

Als Faustregel gilt: Je geringer der W/mK-Wert des Ausgangsmaterials, desto preisgünstiger ist es.

Thermische Impedanz bei verschiedener Wärmeleitfähigkeit

DielektrikumW/mK = 1,6W/mk = 2,2
75 µm0,0740,054
100 µm0,0990,072
125 µm0,1230,089
150 µm0,1480,107

Für die meisten LED-Anwendungen sind Materialien mit geringem W/mK-Wert vollkommen ausreichend.

CTE-Differenzen im IMS-Material


CTE-Werte für die einzelnen IMS-Materialien bei verschiedenen W/mK-Werten

Bei verschiedenen Beleuchtungen ist die elektrische Durchschlagsfestigkeit nicht ausschlaggebend für die Funktionssicherheit der Anwendung, da die Betriebsspannung relativ gering ist. Wichtig ist hier eher die Tatsache, dass die einzelnen Baugruppen auf Grund der Umgebungstemperaturen und Feuchtigkeitsschwankungen starken Temperaturzyklen ausgesetzt sind.

Durch die CTE-Differenzen zwischen den Materialien von Kupfer, Dielektrikum, Aluminium und Keramikkomponenten entsteht der Effekt der Scherspannung / Schubspannung. Im schlimmsten Fall können diese Belastungen zu Ermüdungsrissen an Lötstellen oder in Keramikkomponenten sowie zur Delamination des Laminates führen. Der Einsatz von glasverstärkten Dieletriken reduziert die CTE Diskrepanzen zwischen Substraten und Keramikkomponenten und somit auch die Ausfallrate.

Einflüsse von Temperaturzyklen auf Durchschlagsspannung und Haftfestigkeit

Untersuchungsrohlinge:
1,5 mm Aluminium / 100 µm Dielektrikum / 35 µm Kupfer mit 1 W/mK und 2 W/mk

Testbedingungen:
- 50 oC (30 Min) - 150 oC (30 Min) / 500 Zyklen

Testmaterial:
VT-4A1 + VT-4A2
Quelle: Fa. Ventec

Bei Testreihen über 500 Zyklen verändern sich beide Werte nur noch minimal.

 

Einflüsse von thermischer Alterung bei 150 °C und 1.000 Stunden auf die Durchschlagsfestigkeit und die Haftfestigkeit

 

 

 

Einflüsse von Temperatur und Luftfeuchtigkeit auf die Durchschlagsfestigkeit und die Haftfestigkeit

Testparameter: 85 °C / 85% RH und 1.000 Stunden

Zusammenfassung

Die Auswahl des Dielektrikums (Art und Dicke) ist abhängig

  • von der Anforderung VDC/mil und VAC/mil
  • vom CTE-Wert zur Verbesserung der Lötstellen

Weiterhin gilt

  • höhere Wärmeleitwerte sind auf Grund des aufwändigeren Herstellverfahrens teuerer
  • dickere Dielektriken erhöhen die Kosten

Die möglichen Ausführungen vom IMS-Schaltungen können Sie dem IMS-Informationsblatt entnehmen.

technoboards KRONACH GmbH
Industriestraße 11
D-96317 Kronach

Fon  +49 (0) 9261 99-291
Fax  +49 (0) 9261 99-774

info@technoboards-kc.de

www.technoboards-kc.com