Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Leiterplatten | 14 August 2006

Methoden zur Wärmeableitung bei HF-Leiterplatten

Von Dipl.-Ing. Markus Wille, RUWEL AG, Werk Wetter, Produktentwicklung.
Die Herstellung von Leiterplatten mit K√ľhlk√∂rpern hat eine lange Tradition bei der RUWEL AG. So werden seit mehr als 15 Jahren f√ľr unterschiedlichste Kfz-Steuerger√§te in Gro√üserien K√ľhlk√∂rper auf Multilayer-Leiterplatten geklebt. Diese Erfahrung und Kompetenz wurde schon fr√ľhzeitig erfolgreich bei dem Aufbau der Infrastruktur f√ľr die mobile Telekommunikationstechnik eingebracht. Durch den weiteren Ausbau der Mobiltelefonnetze werden immer kompaktere Hochfrequenz- Sende- und Empfangsmodule (Transceiver) ben√∂tigt. Die Leistungsverst√§rker dieser Transceiver sind mit HF-Leistungstransistoren best√ľckt, die eine hohe Verlustleistung generieren. Zur effektiven Ableitung der Verlustw√§rme bei Hochfrequenz- oder Mikrowellenleiterplatten hat die RUWEL AG verschiedene Techniken entwickelt, die in diesem Beitrag vorgestellt werden.

Einleitung
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.


Figure 1: WiMax HF amplifier

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" mit dem K√ľhlk√∂rper verl√∂tet werden. Oder sie werden einfach nach der Best√ľckung auf einen K√ľhlk√∂rper geschraubt. Solche Verfahren erfordern erfahrungsgem√§√ü einen hohen Aufwand bei unseren Kunden, 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"-Technik.


Figure 2: Metal-backed HF substrate

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 aufw√§ndig.

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 hinhingegen 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 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. Der elektrische √úbergangswiderstand ist mit ca. 1 m ohm sehr gering.


Figure 3: HF circuit board with cooling element

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 Wärmeableitung durch Cu-Coins
In vielen F√§llen ist eine Montage eines K√ľhlk√∂rpers √ľber die gesamte Schaltungs-fl√§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. Hierzu hat RUWEL verschiedene Methoden entwickelt. 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 Hochfrequenz-schaltungen in einer so genannten 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).


Figure 4: HF circuit board with embedded 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-Leistungs-transistoren.

Eine weitere Methode ist das Einkleben von Cu-Coins nach der Fertigstellung der HF-Leiterplatte. Dazu enthält die HF-Leiterplatte Kavitäten, in denen vorgefertigte Cu-Coins mit einem Leitkleber eingeklebt werden. Der Kleber kann thermisch und elektrisch leitend sein (Abbildung 5).


Figure 5: HF circuit board with bonded Cu coin

Die Haftfestigkeit der eingeklebten Cu-Coins ist zum einen abhängig von dem verwendeten Kleber und den Oberflächen und zum anderen von der Größe und Geometrie der geklebten Fläche. In der gezeigten Konfiguration werden Kräfte 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.


Figure 6: HF circuit board with press-fitted Cu coin

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. Die RUWEL AG hat dazu verschiedene Modelle entwickelt, die in diesem Beitrag vorgestellt wurden.

Neben dem fl√§chigen Aufkleben von HF-Leiterplatten auf K√ľhlk√∂per 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.

Kontakt:
RUWEL AG
Am Holländer See 70
D-47608 Geldern
Internet: www.ruwel.com
Contact: Frank Hoiboom (Marketing)
Tel.: +49 (2831) 394-201
Fax: +49 (2831) 394-401
E-mail: frank.hoiboom@ruwel.de
Weitere Nachrichten
2019.01.17 14:20 V11.11.0-1