Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Delavnica Miha Karlovšek, Ljubljana, Maj 2018 Miha.Karlovsek@hella.com HF-7761EN_C (2014-07)
Termična optimizacija Postavitev komponent Dobra optimizacija bakrenih površin Distribucija toplote po površini (horizontalna disipacija) 2 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Termična optimizacija Vertikalna disipacija (različni materiali) Temperaturne slike Distribucija in disipacija toplote FR4 2-slojni s termalnimi vijami: IMS (Insulated Metal Substrate): 3 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Poškodbe PCBjev Premajhna disipacija Napačna tehnologija PCB materiala Poškodba zaradi temperature >200 C 4 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Površina Cu PCB material Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Horizontalna disipacija Vertikalna disipacija 5 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Optimizacija PCBja po površini SOT89 0805 Oslon Black (3 pin) Luxeon F ES (3 pin) SOT23 6 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Optimizacija PCBja po površini povezava linij SOT89 Luxeon F ES (3 pin) SOT23 0805 Oslon Black (3 pin) 7 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
SOT89 0,125 W/cm 2 8 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Luxeon F ES (3 pin) Ozka grla Hlajenje preko ohišja 9 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
0805 Tombstone Effect 10 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Povečanje pada (Cu, ST) ST - soldermask Cu - baker RT - reflow 11 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
12 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
13 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
14 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
15 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
SOT23 16 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Oslon Black (3 pin) 17 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Optimizacija PCBja po površini PCB s premajhno toplotno disipacijo: Optimiziran PCB: Majhna sprememba bakrene površine veliko spremeni odvajanje toplote 18 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Optimizacija PCBja s termalnimi vijami Z vijami 61,9 C Brez vij 68,3 C 400mA 19 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Postavitev vij v okolici komponente 20 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Številčnost vij Število vij ne pomeni boljše toplotne disipacije Število termalnih vij z dobro učinkovitostjo je od 8 do 15 Več kot toliko vij ne poveča učinkovitosti 21 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Številčnost vij 22 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Primerjava vij pod komponento in ob komponenti Vije pod komponento Vije v okolici komponente Brez vij 23 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Primerjava vij PTH vias Plugged PTH vias with metal cap 24 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Distanca - toplota T [ C] 90,00 Temperatures in Copper Layout [ C] 88,00 86,00 84,00 82,00 80,00 78,00 76,00 74,00 72,00 70,00-3,50-2,50-1,50-0,50 0,50 1,50 2,50 3,50 4,50 5,50 Location Y [mm] 25 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Optimalna postavitev vij v okolici komponente 26 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Boljši PCB 27 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Termalno optimiziran footprint Standardni podnožje Termalno optimiziran podnožje Extensive Independent of Solder Resist. Soldering influenced by Solder Resist 28 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Primer 29 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Primer 30 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Primer 31 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Primer 32 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Primer 33 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Primer 34 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Primer 35 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Primer 36 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Primer 37 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Površina Cu PCB material Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Horizontalna disipacija Vertikalna disipacija 38 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
PTH vije Platane luknja, ki vzpostavi električno povezavo med bakrom na različnih lajerjih Najmanjša debelina metalizacije = 25μm pri debelini PCB-ja 1.5mm Signalne vije Uporabljamo jih lahko za pritrjevanje komponent, montažo ali toplotno disipacijo PTH > Plated Through Hole Termalne vije 39 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Plugged PTH vias Prerez PCBja Cu-layer [t Cu 50µm] FR4 [t FR4 1500µm/1000µm] Cu-layer [t Cu 50µm] PTH [Ø400µm, t Cu 25µm] Part Material Thermal conductivity [W/mK] Copper layers Copper 380 FR4 Dielectric 0,37 PTH Copper 380 Air Air 0,026 40 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Plugged PTH vias with metal cap Prerez PCBja Cu-layer [t Cu 50µm] FR4 [t FR4 1500µm/1000µm] Cu-layer [t Cu 50µm] PTH [Ø400µm, t Cu 25µm] Gap fill [Ø350µm] Part Material Thermal conductivity [W/mK] Copper layers Copper 380 FR4 Dielectric 0,37 PTH Copper 380 Gap fill Plastic 0,2 41 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Copper filled Microvia Zelo majhna (premer 0.125-0.15mm) Dielektrik le do 106μm Lasersko vrtanje 42 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Toplotno optimizirani PCB materiali FPC with Alstiffener Thermo-Vias plugged Th.-vias Cu-filled μ Vias IMS (insulated metal substrate) PCB tehnologije Multilayer-PCB Heatsink-PCB Cu-Inlays 43 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Multilayer Fr4 PCB ΔT PCB [ C] 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 MPCB with MV and PTH MPCB with MV and without PTH MPCB with MV and PTH, thermally optimized bottom dielectric 119 38,5 12,5 233 76,5 25,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 P th /LED [W] 461 152,5 50,5 44 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Multilayer FR4 PCB Concept 1: ΔT PCB = 44 K Copper Thermaly optimized Dielectric [λ = 2 W/mK] Concept 2: Copper ΔT PCB = 22 K I f = 1500 ma P th = 3,61 W/LED 45 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
FR4 + Cu Inlay PCB ΔT PCB [ C] 160 140 120 100 80 60 40 20 Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Temperature drop in PCB 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 P th /LED [W] 46 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Specialne tehnologije za boljšo termalno disipacijo Copper Inlay (FR4) 47 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
IMS insulated metal substrate Boljša toplotna disipacija Poznamo dva substrata Aluminij IMS (250 W/mK) Bakren IMS 48 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Copper IMS with λ - optimized ΔT PCB [ C] 60 50 Temperature drop in PCB Dielectric R-14 T1 52,5 40 35 30 20 10 0 22,5 17,5 15 8,5 7,5 4 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 P th /LED [W] 49 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Copper IMS with microvias ΔT PCB [ C] 25 20 without bottom dielectric with bottom dielectric Temperature drop in PCB 21 15 10,5 16 10 5 5,5 8 0 4 0 0,5 1 1,5 2 2,5 P th /LED [W] 50 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
2 layer IMS with microvias + capped PTH vias ΔT PCB [ C] 60 50 40 Dielectric 2 W/mK Dielectric 0,37 W/mK Temperature drop in PCB 32,5 49 30 20 10 0 36 16,5 24 8 12 6 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 P th /LED [W] 51 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
2 layer IMS with Stacked microvias ΔT PCB [ C] Temperature drop in PCB 35 30 25 20 15 10 5 0 30 Dielectric 2 W/mK Dielectric 0,37 W/mK 15 22 7,5 11 5,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 P th /LED [W] 52 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
2 layer IMS with Copper filled microvias ΔT PCB [ C] 30 25 20 15 Dielectric 2 W/mK Dielectric 0,37 W/mK Temperature drop in PCB 13 26 19,5 10 5 0 6,5 10 5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 P th /LED [W] 53 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Primerjava različnih Dielektrikov Dielectric layer 2 W/mK Dielectric layer 1 W/mK Dielectric layer 0,37 W/mK 0 C +10 C +15 C 54 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Specialne tehnologije za boljšo termalno disipacijo Pedestal Uporaba Cu-IMS 55 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Flexible Printed Board (FPC) z Al-stiffener Bakrena folija je z lepilom fiksirana na substratu Zaščita je nameščena z lepilom na bakreno folijo. Odprtine za komponente so izrezane Za zaščito se lahko uporabi solder masko ali sitotisk Poznamo tudi SemiFlex in Rigid-Flex 56 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Primerjava različnih materialov + Poceni FR4 PCB Cu-IMS Al-IMS Flex-PCB Zaneslivost spajkanja Dobra termalna disipacija Zaneslivost spajkanja Cenejši kot Cu- IMS Zaneslivost spajkanja Možnost fleksibilne fiksacije - Za dobro termalno disipacijo potrebujemo dodatne tehnologije (vije, inlay) Visoki stroški Slabo spajkanje Visoki stroški Slaba termalna disipacija, oziroma potrebujemo dodatne tehnologije (Al stiffener) Visoke tolerance 57 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Drugi materiali Lead frame 3D-MID Ceramic Prednosti: Poceni 3D design Robustnost Slabosti: Omejeno fino strukturiranje Prednosti: 3D design Slabosti: Omejena termalna disipacija Visoki stroški proizvodnje (orodje) Prednosti: Visoka termalna disipacija Možnost integracije component v PCB (upori, tuljave) Slabosti: Visoki stroški proizvodnje Ni možnosti vijačenja zaradi pokanja keramike Omejen dizajn 58 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Kaj še vpliva na termalno disipacijo termalno-mehanski stres Glavni vzrok za nastanek razpok znotraj spajke je neusklajenost koeficientov toplotnega raztezanja med komponentami in substratum 500 šokov: nič razpok 750 šokov: še dovoljene razpoke 1000 šokov: popolna razpoka 59 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Kaj še vpliva na termalno disipacijo Solder voids Uporaba komponente s skritim padom, detekcijo lahko vidimo le z uporabo X-Ray analize Ne moremo jih preprečiti Zračni mehurčki > nastanejo zaradi izpusta ostankov fluxa in reakcijskih produktov metalurških interakcij Lahko zelo zmanjšajo termalno disipacijo Ena možnost ki zmanjšuje % voidov je vacuum soldering 60 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Specialne tehnologije za boljšo termalno disipacijo Heatsink Aluminijaski hladilnik Izstiskanje hladilnika (Strangpress) Visokotlačno vlitje (Druckguss) Toplotna pločevina s kovičastimi rebri Hladilnik iz Magnezija Možnost uporabe tanjšega materiala Thixomolding Kombinacija ohišja in hladilnika 61 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Specialne tehnologije za boljšo termalno disipacijo TIM (thermal interface material) or TCA (thermal conductive adhesive) Optimizacija termalnega prehoda 62 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Specialne tehnologije za boljšo termalno disipacijo TIM pregled materialov 63 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Računanje toplotne prevodnosti R th, PCB SMD-LED: R th,typ = 30-45 K/W Multi-Chip-LED: R th,typ = 2-4 K/W CSP-LED: R th,typ = 5-10 K/W Multi-Chip-LED R th, LED T s = T HS R th, Heatsink Sub-Mounted-Device R th, LED R th, TIM T HS T s R th,tc = T P th = d λa R th, PCB R th, Heatsink Material Phosphor Chip AlSi Glue TIM Copper Prepreg Alu-IMS Thermal Conductivity 0,2 W/mK 50 W/mK 170 W/mK >1 W/mK 3W/mK 400 W/mK 0,37 W/mK 120 W/mK Focus: - PCB-Layout - PCB built up Decrease R th-pcb Toplotna poškodba SMD 64 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Računanje toplotne prevodnosti Thermal resistance: xx C T J xx C T J 90-95 C T S R th, LED DT 27K 117-123 C T S R th, LED R th, PCB R th, PCB T TIM T TIM 70-80 C R th, TIM T HS 97-107 C R th, TIM T HS Target DT PCB 25K R th-hs R th-hs caused by: 50-60 C 23 C T A-Modul R th-hl T A-HL DT 27K 77-87 C 50 C T A-Modul R th-hl T A-HL no derating < 50 C T A-HL HS surface size in HL (dimensions, weight) 65 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Kaj še vpliva na toploto struktura komponente 66 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018
Kako se testira distribuiranje toplote 67 Termična optimizacija pri načrtovanju vezij Karlovšek Ljubljana Maj 2018