Wärmeverteilung in elektronischen Baugruppen optimieren

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FAPS Lehrstuhl f. Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik

Da die Bauelemente direkt auf dem Substrat aus wärmeleitfähigen Kunststoffen bzw. der darauf aufgebrachten Metallisierung montiert werden, ist die Anzahl der Übergänge im Wärmeleitpfad minimal.

Eine FR4-Schicht mit schlechter Wärmeleitfähigkeit entfällt. Ebenso wird durch die direkte Anbindung der Leiterbahnen an den Kühlkörper deren Erwärmung bei hoher Strombelastung reduziert.

Im Rahmen eines AiF-Forschungsvorhabens konnte die Eignung dieser Materialien für die MID-Technologie nachgewiesen werden [8]. Trotz der vergleichsweise hohen Füllgrade ist eine Metallisierung im Heißprägeprozess oder mit klassischen nasschemischen Verfahren zur Erzeugung des Leiterbildes auf der Kunststoffoberfläche möglich.

Durch die gleichmäßige Verteilung der Wärme in der Baugruppe ergeben sich sowohl Vorteile im Lötprozess sowie die Möglichkeit zur effizienten Ableitung der Verlustleistung von elektronischen Bauteilen. Zur Überprüfung wurden, wie in Bild 3 dargestellt, auf einem spritzgegossenen Kühlkörper aus modifiziertem Polyamid 66, mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 2,5 W/(m∙K), mit 2 W LEDs aufgebaut. Im stationären Betrieb ergeben Messungen der Temperatur am LED-Gehäuse (Bild 3) Unterschiede gegenüber Baugruppen auf Basis eines Standard Polyamid 66 von bis zu 80 °C.

Zusätzliche Funktionen für mechatronische Baugruppen

Wärmeleitende Kunststoffe stellen somit eine ideale Ergänzung zu vielen klassischen Entwärmungskonzepten in der Fertigung elektronischer Baugruppen dar. Der Einsatz dieser Verbundwerkstoffe in Verbindung mit angepassten Fertigungsprozessen bildet eine ideale Ausgangslage, um neue Anwendungsbereiche für die Elektronik zu erschließen. So sind kunststoffbasierte Kühlstrukturen nicht zuletzt wegen des vergleichsweise geringen Gewichtes für mobile Systeme hoch interessant, zum Beispiel für Beleuchtungselemente im Automobil und im Flugzeug.

Während bereits mehrere Materialhersteller ein breites Portfolio an wärmeleitfähigen Kunststoffen auf dem Markt kommerziell anbieten, konzentrieren sich aktuelle Forschungsbemühungen u. a. darauf, zusätzliche Funktionen in die hochgefüllten Kunststoffe zu integrieren und Prozessketten für weitere Anwendungsfelder zu gestalten.

Zum Beispiel ist eine vollständige Einhausung elektronischer Baugruppen mit thermisch leitfähigen Kunststoffen denkbar, um nicht nur die Wärme abzuführen, sondern die komplette Baugruppe vor äußeren Einflüssen (Schmutz, Feuchtigkeit) zu schützen.

Für den Bereich der räumlichen spritzgegossenen Schaltungsträger steht im Vordergrund, alternative Metallisierungsverfahren wie die Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) oder das maskenlose additive Metallisieren durch Druckverfahren zu ermöglichen und somit den Weg für hochintegrierte und multifunktionale mechatronische Baugruppen zu ebnen [9].

Literatur

[1] Czarnetzki, W.T.: Meßverfahren mit Temperaturschwingungen für Wärme- und Temperaturleitfähigkeit; Dissertation Universität der Bundeswehr Hamburg, 1997.

[2] Heinle, C.; Vetter, M.; Drummer, D.; Ehrenstein, G.W.: Innovative konstruktive und fertigungstechnische Möglichkeiten zur Kühlung von LEDs mit wärmeleitfähigen Kunststoffen; 3rd Symposium Connectors, Lemgo 2011, S. 174-195.

[3] Amesöder, S.: Wärmeleitende Kunststoffe für das Spritzgießen; Dissertation Universität Erlangen-Nürnberg, 2009.

[4] Neal, G. D.; Finan, J. M.: Thermally Conductive Thermoplastics - A Viable Alternative For Coil Wound Device And Passive Component Construction", Proceedings of the Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing & Coil Winding Conference, Cincinnati/OH, USA, October 1999, pp. 599-604.

[5] Bahadur, R.; Bar-Cohen, A.: "Thermal Design and Optimization of Natural Convection Polymer Pin Fin Heat Sinks", IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, Vol. 28, No. 2, June 2005, pp. 72-76.

[6] Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen, "Räumliche elektronische Baugruppen – Herstellverfahren, Gebrauchsanforderungen, Materialkennwerte", Hanser Verlag München Wien, 2004.

[7] Goth, C.; Franke, J.; Feldmann, K.: “Molded Interconnect Devices – Progressive Approach for Mechatronic Products and Efficient Manufacturing Processes” Proceedings of 2010 Microelectronics Pan Pacific Symposium SMTA, Kauai, Hawaii, 2010.

[8] Abschlussbericht des IGF-Forschungsvorhabens Nr. 15583 N „Verbesserung der Lötbeständigkeit von 3D-MIDs durch wärmeleitende Kunststoffe“ der Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V.

[9] Franke, J.: “Transition of Molded Interconnect Devices to Mechatronic Integrated Devices”, Proceedings of 9th International Congress Molded Interconnect Devices, September 29th-30th, Nürnberg-Fürth, 2010.

* *Johannes Hörber, Martin Müller und Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke ... sind Mitarbeiter des Lehrstuhls für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS), Florian Ranft und Prof. Dr.-Ing. Dietmar Drummer ... arbeiten am Lehrstuhl für Kunststofftechnik (LKT) in Erlangen.

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