9. Kooperationsforum mit Fachausstellung

Systemintegration mit Leiterplatten

Embedding, Wärmemanagement, Hochstrompackaging, Robustness
29. Januar 2013, Maritim Hotel, Nürnberg

 

Bericht

  • Innovation als Wachstumschance für die Europäische Leiterplattenindustrie
  • Design für Hochstrom und Wärmemangement entscheidend für Zuverlässigkeit
  • Embedding von aktiven Bauelementen in den ersten Großserien eingesetzt.

Innovation wird in zukünftigen Produkten immer mehr durch Elektronik und Software ermöglicht. Für die europäische High-tech Industrie ist damit die regionale Verfügbarkeit von Zulieferern für Elektronikbauteile zu einem kritischen Punkt geworden. Dies trifft speziell für Leiterplatten- und Basismaterialhersteller zu, wo in den letzten Jahrzehnten ein starker Konzentrationsprozess eingesetzt hat, wie Hans J. Friedrichkeit, PCB-NETWORK, in seiner Einführung zum 9. Kooperationsforum "Systemintegration mit Leiterplatten" in Nürnberg betonte. Speziell die Leiterplattenhersteller der Region Deutschland, Österreich und Schweiz sieht er hier besonders gut aufgestellt, da diese Ihre Marktanteile durch neue Fertigungslösungen halten und zum Teil auch ausbauen können. Über einen ausgewählten Themenbogen dieser Entwicklungen informierten sich am 29. Januar 2013 über 240 Teilnehmer aus der gesamten Wertschöpfungskette.

Folgende Punkte wurden im Detail vorgestellt:

  1. Basismaterial für hohe Wärmeleitfähigkeit und Embedding
  2. Hochstrom und Wärmemanagement
  3. Embedding von aktiven Bauteilen
  4. Hochfrequenzleiterplatten LCP
  5. Erhöhung der Zuverlässigkeit

1. Basismaterial für hohe Wärmeleitfähigkeit und Embedding

Grundlage jeder Leiterplatte ist das Basismaterial, das wesentlich die Eigenschaften einer Baugruppe wie z. B. das Wärmemanagement bestimmt. Hier geht die Entwicklung in Richtung der Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit (bis zu 2 W/m ∙ K) aber auch in die Reduzierung der Materialstärke bei gleicher Spannungsfestigkeit, erläuterte Manfred Walchshofer, Panasonic Industrial Devices Materials Europe GmbH. Gleichzeitig muss gewährleistet sein, dass für die Fertigung beim Leiterplattenhersteller auf etablierte Prozesse zurückgegriffen werden kann. Speziell zum Thema Embedding entwickelt Panasonic in zwei Richtungen: Neben der Verbesserung klassischer Prepregs, die im Bereich der Embedded-Bauteile ausgefräst werden müssen, steht die Entwicklung hochleitfähiger Filmfolien im Vordergrund. Diese werden auf die Bauteile aufgelegt und können direkt laminiert werden. Dabei werden die Bauteile umschlossen während die planare Oberfläche der Schicht erhalten bleibt. In Zukunft soll hier die Wärmeleitfähgikeit auf bis zu 10 W/m ∙ K gesteigert werden.

2. Hochstrom und Wärmemanagement

Auf dem Markt gibt es viele neu entwickelte Basismaterialien für ein verbessertes Wärmemanagement. Doch der Einsatz dieser Materialien hat auch seinen Preis. Deshalb lohnt es sich unter Umständen, in einem Entwicklungsprozess das Leiterplatten - Design so zu optimieren, dass auf Standard FR4 Material und Kupfer zurückgegriffen werden kann.

Die Firma Häusermann GmbH setzt mit der HSMTec Technologie auf diese Strategie, wie Stefan Hörth an Praxisbeispielen erläuterte. Grundlage ist das Einbringen von Starkkupfer in relevante Bereiche der Leiterplatte, z. B. für den Hochstrombereich, aber auch in der Nähe von Leistungsbauteilen, wo eine hohe Wärmespreizung bzw. - abfuhr notwendig ist. Als Beispiele zeigte er Module mit bis zu 400 A Stromtragfähigkeit, die effiziente Kühlung von Leistungselektronik für Batteriemangement in Elektrofahrzeugen aber auch eine selbsttragende 3D-Konstruktion für LED-Beleuchtung, die im Bereich des Starkkupfers variabel geknickt werden kann. Mit dieser Technologie können auch sehr gut Steuerungs- und Leistungsmodule auf einem Board kombiniert werden.

Dr. Christoph Lehnberger, ANDUS ELECTRONIC GmbH, demonstrierte an einem Re-Engineering Prozess eines Leistungselektronikmoduls anschaulich, wie Produkteigenschaften verbessert und gleichzeitig Kosten gesenkt werden können. Das vom Kunden angeforderte Design wurde mit einer Wärmesimulation geprüft und anschließend über mehrere Schleifen in Rücksprache mit dem Kunden optimiert. Am Ende konnte die maximale Temperatur der Leistungsbauteile um nahezu 100 Grad gegenüber dem ersten Ansatz gesenkt werden ohne erhöhte Kosten zu verursachen, z. B. durch zusätzliche Innenlagen für die Entwärmung. Wesentlich zum Erfolg trug auch die Einbindung des Gehäuses in das Wärmemanagement bei.
In einem zweiten Beispiel erläuterte er die Probleme thermischer Vias (Durchkontaktierung zwischen zwei Leiterplattenebenen), wenn diese auch für die Stromtragfähigkeit benutzt werden. Generell gilt die Faustregel, dass ein typischer Via bei 35 μm Cu-Oberfläche und 1 mm Leiter ca. 1 A tragen kann. Für Hochstromapplikationen kommen deshalb auch Via-Arrays zum Einsatz. Hierbei tritt aber das Problem auf, dass der Stromfluss nicht gleichmäßig über alle Vias verteilt ist, was zu einer lokalen Überhitzung führen kann. Es gilt deshalb die Geometrie des Stromflusses genau zu analysieren, um spätere Ausfälle zu vermeiden.

3. Embedding von aktiven Bauteilen

Ein aktueller Forschungsbereich vieler Leiterplattenhersteller ist das Thema Embedding. Hier werden in Innenlagen der Leiterplatte passive und aktive Bauelemente integriert. Lars Böttcher, Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM zeigte am Face-Up Prozess die Integration von Leistungshalbleitern auf. Die Rückseite der Chips wird dabei mit einer dünnen Folie isoliert direkt auf die rückseitige Kühlebene der Leiterplatte angebracht. Als weitere Verbesserung der thermischen Kontaktierung der Rückseite stellte er eine Anbindung über einen Sinterprozess vor. Anschließend werden die Bauteile über einen Laminierprozess eingebettet. Die Pins auf der Chipvorderseite werden dann über Microvias kontaktiert. Der Prozess hat gegenüber dem Bonden der Chips den Vorteil, dass der Aufbau niederinduktiver ist. Die Ergebnisse aus langjährigen Forschungsprojekten sind inzwischen Serienreif: DC-DC Wandler werden in Millionenstückzahl in dieser Technologie herstellt.

Eine große Herausforderung sind die ständig kleiner werdenden Pitchabstände der Chips selber. Hier setzt Würth Elektronik GmbH & Co. KG auf das Flip Chip Verfahren für den Embedding Prozess, wie Jürgen Wolf darstellte. Hier wird der Chip Face Down in die Leiterplatte eingebracht. An einem Implantatprodukt zeigte er eindrucksvoll auf, wie über 140 unterschiedlichste Fertigungsschritte ein überaus kompaktes und robustes Design erreicht werden kann, dass trotz integrierter drahtloser Datenübertragung unempfindlich gegenüber EMV-Einstrahlung ist. Neben diesen Aspekten setzt Würth auf weitere Zukunftstechnologien: "Modulare Elektronik" für Sensoren, bei der sich die Leiterplatten-Module durch Oberfächentechnologien selbst zentrieren oder "System-in-Foil", bei der gedünnte Chips in einer nur 60 μm dicken Folie untergebracht sind und auch gebogen werden können.

4. Hochfrequenzleiterplatten LCP

Mit dem Material LCP (Liquid Crystal Polymer) stellten Daniel Schulze und Marc Hauer, Dyconex AG ein thermoplastisches Basismaterial vor, welches besonders für HF-Anwendungen geeignet ist. Zudem hat es eine sehr geringe Wasser- und Sauerstoffaufnahme, so dass es mit entsprechenden Cu-Lagen quasi zu einem hermetisch dichten Material wird. Ein Multilayer-Aufbau wird durch das Einbringen niedrig-schmelzender Zwischenlagen erreicht, die beim Erhitzen die Verbindung zu den Kernlagen herstellen. In vielen Bereichen können LCP-Leiterplatten wie klassische Leiterplatten bearbeitet werden. Durchkontaktierung oder Metalleinlagen aus Kupfer stellen kein Problem dar, da beide Komponenten vergleichbare Ausdehnungskomponenten haben. Will man Embedded Technologien einsetzen, sind auf Grund der unterschiedlichen Ausdehnung Verstärkungen, z. B. aus Invar oder Kovar einzubringen. An einem Hochfrequenzbauteil wurde demonstriert, dass eine spritzgegossene LCP-Antenne direkt mit einer LCP-Leiterplatte integriert werden kann.

5. Erhöhung der Zuverlässigkeit

Die Zuverlässigkeit von Leiterplatten kann durch verschiedenste Maßnahmen deutlich gesteigert werden. Eine der wichtigsten Punkte wurde schon erläutert: das Wärmemanagement. Von den Leiterplattenherstellern werden für die Beurteilung der Zuverlässigkeit umfangreiche Tests durchgeführt, die Markus Leitgeb, AT&S AG erläuterte. Typische Testszenarien sind der Falltest, die Temperaturzyklenfestigkeit oder ein Reflow-Test. Entsprechend der Kundenanforderungen werden die Leiterplatten bei unterschiedlichsten Szenarien geprüft. Als Ergebnis werden dann die Zahl der Ausfälle über die Testdauer oder die Testzyklen aufgetragen und über eine Weibull-Verteilung ausgewertet. Ein wichtiges Ergebnis ist z. B., dass Leiterplatten mit Embedded Chips im Falltest wesentlich robuster sind, als Leiterplatten mit Chips an der Oberfläche. Mit der neuesten Generation von Testgeräten können Klima-Tests in einem Zehntel der Zeit durchgeführt werden, was umfangreichere Analysen ermöglicht.

Die gezeigten Beispiele machen deutlich, so Dr. Rupert Tkotz, Bayern Innovativ GmbH, in seiner Zusammenfassung, dass Best-Cost-Lösungen nur über eine möglichst frühzeitige Zusammenarbeit zwischen Geräte-  und Leiterplattenherstellern erreicht werden können. Die Bayern Innovativ wird mit dem Netzwerk BAIKEM die Entwicklungen in der Leiterplattenindustrie weiterverfolgen und auch im nächsten Jahr, dann zum zehnten Mal, das Kooperationsforum Leiterplattentechnologie konzipieren und organisieren. Der Treffpunkt der Branche wird am 28.01.2014 wiederum Nürnberg sein.

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