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Leiterplatten | 03 September 2009

Methoden zur Wärmeableitung bei HF-Leiterplatten

Bei der Verarbeitung von Signalen in der Hochfrequenztechnik, insbesondere bei der Verst√§rkung von HF-Signalen, wird sehr viel Verlustw√§rme erzeugt. Sie muss schnell und effizient von den Bauelementen abgef√ľhrt werden.
HF-Schaltungen werden sehr oft in speziellen Abschirmgeh√§usen eingebaut (Abbildung 1). Dies erschwert die Montage eines einfachen K√ľhlk√∂rpers auf das zu k√ľhlende Bauelement oder es ist zur K√ľhlung nicht ausreichend. Abbildung 1: WiMax HF-Verst√§rker In der HF-Technik f√ľhrt man die Verlustleistung von Leistungstransistoren √ľblicherweise √ľber den Boden des Bauelementes zur W√§rmesenke, z. B. dem Geh√§use, ab. Dazu werden Materialien mit einer hohen W√§rmekapazit√§t benutzt. Dieses Prinzip erm√∂glicht eine Integration der W√§rmeableitung in den konstruktiven Aufbau von HF-Leiterplatten. Sehr h√§ufig wird die gesamte Schaltung zur W√§rmeableitung auf eine dicke Metallplatte aufgebracht. Dazu gibt es verschiedene Verfahren. Sie k√∂nnen beispielsweise im unbest√ľckten Zustand durch so genanntes ‚Äěsweat soldering‚Äú mit dem K√ľhlk√∂rper verl√∂tet werden. Oder sie werden einfach nach der Best√ľckung auf einen K√ľhlk√∂rper geschraubt. Wir bei Schoeller electronics sind der Meinung, dass solche Verfahren einen hohen Aufwand bei unseren Kunden erfordern, vor allem, wenn hohe St√ľckzahlen verarbeitet und hohe Qualit√§tsanforderungen erf√ľllt werden sollen. Deshalb haben wir Methoden und Modelle entwickelt, bereits w√§hrend der Leiterplattenproduktion den K√ľhlk√∂rper oder andere, lokale Elemente zur W√§rmeableitung in den Aufbau der HF-Leiterplatte zu integrieren. Pre-bonded oder Post-bonded Einige Materialhersteller bieten HF-Materialien an, die bereits auf ein flaches Metallblech zur W√§rmeableitung laminiert wurden. Das HF-Substrat befindet sich direkt, ohne eine Zwischenschicht, auf einer dicken Metalllage. Als Werkstoffe f√ľr die Metalllage werden Kupfer, Aluminium oder Messing verwendet. Weil dieser Verbundaufbau so vom Materialhersteller bezogen wird, tr√§gt diese Methode die Bezeichnung ‚Äěpre-bonded‚Äú-Technik. Abbildung 2: Metal Backed HF-Substrat Abbildung 2 zeigt ein pre-bonded HF-Substrat mit einer dicken Metallr√ľckseite aus Kupfer. Dieses Basismaterial wird in der Leiterplattenproduktion wie eine doppelseitige Leiterplatte verarbeitet. Es k√∂nnen Durchkontaktierungen als Sackloch- oder Durchgangsbohrungen eingebracht werden. Die Schaltung tr√§gt nur auf einer Seite ein Leiterbild. Die Verarbeitung solcher Aufbauten mit einer Metallr√ľckseite von typ. 1 mm bis 3 mm Dicke ist jedoch in der Leiterplattenproduktion aufwendig. Das Ausgangsmaterial der pre-bonded Version ist ein Verbundwerkstoff aus relativ weichem HF-Substrat und einer dicken Metallplatte. Die optimalen Parameter f√ľr die mechanische Bearbeitung dieser Materialien weichen stark voneinander ab. Deshalb muss man bei diesem Aufbau mit Kompromissen in der Produktion arbeiten oder besondere Maschineneinrichtungen oder -konfigurationen vornehmen. Die zur Auswahl stehenden Metalle lassen sich sehr unterschiedlich metallisieren. Kupfer und Messing k√∂nnen in aller Regel problemlos durchkontaktiert werden. F√ľr Aluminium hingegen sind besondere Vorbehandlungen und Beschichtungen vor Metallisierung mit Kupfer erforderlich. √Ąhnliches gilt f√ľr das Oberfl√§chenfinish. Das Basismaterial in dem pre-bonded Aufbau ist in der Regel teurer, als wenn die Materialien einzeln bezogen werden. Bei der post-bonded Methode wird die HF-Leiterplatte nach ihrer Fertigstellung mittels eines Klebefilms oder auf einen separat hergestellten K√ľhlk√∂rper geklebt. Der Klebefilm kann je nach Anforderung ausgesucht werden. Es gibt elektrisch leitende, Temperatur leitende und nichtleitende Filme. F√ľr HF-Leistungsverst√§rker werden in der Regel elektrisch- und w√§rmeleitende Klebefilme eingesetzt. Durch die elektrische Leitf√§higkeit des Klebefilms wird der K√ľhlk√∂rper mit der Masse der HF-Schaltung elektrisch leitend verbunden. Abbildung 3: HF-Leiterplatte mit K√ľhlk√∂rper In der Abbildung 3 ist ein Schaltungsausschnitt einer HF-Leiterplatte mit elektrisch und w√§rmeleitenden Klebefilm und dem K√ľhlk√∂rper zu sehen. Der K√ľhlk√∂rper enth√§lt eine Kavit√§t, in der ein HF-Leistungstransistor mit seinem Flansch montiert wird. Die Verklebung der Leiterplatte mit dem K√ľhlk√∂rper muss von hoher Qualit√§t sein. Es d√ľrfen keine Fehlstellen auftreten, um Hotspots zu vermeiden. Die Schichtdicke des Klebefilms muss nach dem Laminieren sehr gleichm√§√üig sein. Durch eine entsprechende Prozessf√ľhrung werden diese Anforderungen sichergestellt. Die post-bonded Methode bietet gegen√ľber der pre-bonded Version erhebliche Vorteile, sowohl in der Gestaltung der Leiterplatte als auch in der Leiterplattenproduktion. Die HF-Leiterplatte kann beliebig gestaltet sein. Es gibt keine Beschr√§nkung in der Anzahl der Leiterbildlagen und auch nicht bei der Auswahl der HF-Substrate. Ebenso kann der K√ľhlk√∂rper beliebig geformt und gestaltet sein. In der Produktion werden die drei Komponenten unabh√§ngig voneinander in jeweils optimal ausgerichteten Prozessen hergestellt. Nach der Fertigstellung der Einzelteile werden diese durch Laminieren zusammengef√ľgt. Schlechtteile k√∂nnen vor dem Zusammenbau aussortiert werden. Lokale W√§rmeableitung durch Cu-Coins In vielen F√§llen ist eine Montage eines K√ľhlk√∂rpers √ľber die gesamte Schaltungsfl√§che nicht erforderlich oder sinnvoll, zum Beispiel, wenn die HF-Schaltung noch auf einen Metalltr√§ger oder in ein Metallgeh√§use montiert wird. Dann kann es ausreichen, dass in die HF-Leiterplatte eine lokale W√§rmeableitung integriert wird, welche die W√§rme vom Bauelement zur Unterseite der Leiterplatte abf√ľhrt und an eine externe W√§rmesenke weiterleitet. So k√∂nnen beispielsweise Felder mit Thermal-Vias die W√§rme durch die Leiterplatte abf√ľhren. Reicht deren thermische Leitf√§higkeit nicht aus, werden solide Kupferst√ľcke (Cu-Coins) in die Leiterplatte eingesetzt. Kupfer besitzt eine hohe elektrische und thermische Leitf√§higkeit und kann sehr gut in Leiterplattenkonstruktionen integriert werden. Eine Methode ist das Einlaminieren von Kupferst√ľcken in eine HF-Multilayer-Leiterplatte. Oftmals werden Hochfrequenzschaltungen in einer sogenannten Hybrid-Konstruktion aufgebaut. Ein HF-Substrat wird dabei auf ein Laminat einer anderen Materialsorte auflaminiert. Vor dem Laminieren des kompletten Verbundes werden die Cu-Coins in eine √Ėffnung des zweiten Substrats platziert. Die Cu-Coins k√∂nnen durch metallisierte Bohrungen und der Metallisierung der Schaltung mit dem Massepotential der Schaltung verbunden werden (Abbildung 4). Abbildung 4: HF-Leiterplatte mit ein-laminiertem Cu-Coin Wie man im rechten Teil der Abbildung 4 erkennen kann, liegt das Cu-Coin b√ľndig in der Ebene der Schaltungs-R√ľckseite. Das Verfahren bietet aber auch die M√∂glichkeit, das Cu-Coin b√ľndig zu beiden Oberfl√§chen der Schaltung abschlie√üen zu lassen. Diese Ausf√ľhrung erm√∂glicht dann die Verwendung von SMT-Versionen von HF-Leistungstransitoren. Eine weitere Methode ist das Einkleben von Cu-Coins nach der Fertigstellung der HF-Leiterplatte. Dazu enth√§lt die HF-Leiterplatte Kavit√§ten, in denen vorgefertigte Cu-Coins mit einem Leitkleber eingeklebt werden. Der Kleber kann thermisch und elektrisch leitend sein (Abbildung 5). Abbildung 5: HF-Leiterplatte mit eingeklebtem Cu-Coin Die Haftfestigkeit der eingeklebten Cu-Coins ist zum einen abh√§ngig von dem verwendeten Kleber und den Oberfl√§chen und zum anderen von der Gr√∂√üe und Geometrie der geklebten Fl√§che. In der gezeigten Konfiguration werden Kr√§fte von 600 N bei senkrechtem Abzug erreicht. Cu-Coins in Einpresstechnik Das Einsetzen von Cu-Coins in Leiterplatten durch Einpresstechnik wird seit einiger Zeit f√ľr Leiterplatten f√ľr Motorsteuerungen im Automobilbereich praktiziert. Dieses Verfahren kann auch bei HF-Leiterplatten angewendet werden. Runde oder eckige Cu-Coins werden in passenden √Ėffnungen der HF-Leiterplatten eingepresst. Die Cu-Coins k√∂nnen in metallisierte oder nichtmetallisierte √Ėffnungen eingepresst werden. Eine Metallisierung der Leiterplatte nach dem Einpressen der Coins mit Kupfer ist ebenso m√∂glich wie das Aufbringen der √ľblichen Endoberfl√§chen. Die folgende Abbildung 6 zeigt einen Ausschnitt einer HF-Schaltung mit eingepressten Cu-Coins. Um die Coins herum befinden sich noch Thermal-Vias zur weiteren Unterst√ľtzung der W√§rmeableitung. Sie sind jedoch nicht unbedingt erforderlich und wurden hier nur eingebracht, weil der Raum zur Verf√ľgung stand. Die Cu-Coins haben gegen√ľber Thermal-Vias eine wesentlich h√∂here thermische Leitf√§higkeit. Abbildung 6: HF-Leiterplatte mit eingepresstem Cu-Coin Die h√∂here Effizienz der W√§rmeableitung durch Cu-Coins gegen√ľber Thermal-Vias kann man durch Thermografieaufnahmen deutlich machen (Abbildung 7). Abbildung 7: (links) Thermal-Vias; (rechts) Cu-Coin Die Abbildung 7 zeigt zwei Thermografieaufnahmen der Leistungs-verst√§rkerstufe aus Abbildung 6. Im linken Bild ist der Leistungstransistor auf einem Feld von Thermal-Vias aufgebracht. Als maximale Temperatur am Bauelement wurden 105 ¬įC gemessen. In dem rechten Bild sitzt der Transistor auf einem Cu-Coin, der in die HF-Leiterplatte eingepresst wurde. Die maximale Temperatur betr√§gt hierbei nur 90 ¬įC. Aufgrund der h√∂heren W√§rmeleitf√§higkeit des Cu-Coins gegen√ľber Thermal-Vias konnte die Temperatur am Leistungstransistor in diesem Beispiel um 15 ¬įC gesenkt werden. Dies ist eine deutliche Temperaturreduzierung und kann zu einer Verl√§ngerung der Lebensdauer und erh√∂hter Zuverl√§ssigkeit des Bauelementes und des gesamten Systems beitragen. Zusammenfassung Die Integration von W√§rmeableitungen in den Aufbau von Leiterplatten ist eine bereits bew√§hrte und zuverl√§ssige Technik. Sie bietet sich in idealer Weise f√ľr eine Verwendung bei HF-Leiterplatten an. Neben dem fl√§chigen Aufkleben von HF-Leiterplatten auf K√ľhlk√∂rper mittels leitf√§higen Klebefilmen sind neue Methoden zur Integration von lokal platzierten W√§rmeableitungen durch Cu-Coins entwickelt worden. Diese Techniken bieten dem Schaltungsentwickler gro√üe Freiheiten in der Gestaltung und der Materialauswahl. Die vorgestellten Modelle werden f√ľr unterschiedliche HF-Komponenten in Basisstationen f√ľr die Mobiltelefonnetze und WiMax-Dienste bereits angewendet. Author: MARKUS WILLE, Produktmanager, Schoeller-Electronics GmbH (www.se-pcb.de), Wetter
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