IMS (Isolierte Metall Substrate)

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
Durchschlagsfestigkeit	hoch	niedriger
Kosten	niedrig	hoch
Wärmeleitfähigkeit	niedriger	höher
Dickeneinheitlichkeit	besser	schlechter

2. Einfluss des Dielektrikum-Füllers auf Wärmeleitfähigkeit und Durchschlagsfestigkeit

Füller Typ	Wärmeleitfähigkeit (W/mK)	Durchschlagsfestigkeit bei 70% Füllanteil
Al₂O₃	25~40	+ +
MgO	25~40	+
SiO₂	9,6	+
Si₃N₄	50	-
BeO	270	-
SiC	25~100	- -
AlN	120~220	+
BN	100~250	+

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

Typische Eigenschaften von IMS-Substraten

	Dicke	Wärmeleitfähigkeit (W/mK)
Kupfer	18 µm - 410 µm ¹⁾	380
Aluminium	0,5 mm - 3 mm	200
Dielektrikum	75 µm - 150 µm	0,4 - 0,8 / bis 2,5 ²⁾
Fr4		0,4

¹⁾ Kupferschichtdicke, ²⁾ Glasfaserverstärktes Dielektrikum

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

Dielektrikum	W/mK = 1,6	W/mk = 2,2
75 µm	0,074	0,054
100 µm	0,074	0,054
125 µm	0,074	0,089
150 µm	0,148	0,107

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

Material z.B. Ventec:	VT-4A1	VT42	VT4B3
W/mk:	1,0	2,0	3,0
Dielektrikum:	mit Glas	mit Glas	ohne Glas
CTE-Werte (ppm/°C)
x,y:	13	12	21
vor Tg z-Achse:	32	25	44
nach Tg z-Achse:	150	140	198
Total (z-Achse):	2,00 %	1,80 %	2,70 %

IMS-Materialien werden mit Tg-Werten von 90 °C - 170 °C angeboten.

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