DFM: płytki z izolowanym podłożem metalowym IMS

© Rayming PCB

Wstęp

Wraz z ogromnym rozwojem technologii IMS (insulated metal substrates), stosowanej w szerokim zakresie w oświetleniu LED, zastosowaniach motoryzacyjnych, konwersji energii, napędach silnikowych i modułach półprzewodnikowych, rosnąca złożoność projektów wymaga odpowiedniego doboru materiałów i zoptymalizowanych procesów wytwarzania obwodów. To już nie tylko podstawowa platforma do montażu wymagających wydajności termicznej komponentów - krytycznie ważna stała się kontrola maksymalnych temperatur połączeń i gęstości mocy. Znaczna część aplikacji wymaga ponadto pomyślnego przejścia testów narzuconych przez agencję bezpieczeństwa przy napięciu wyższym niż napięcie robocze. W związku z tym, znaczenia nabiera właściwy dobór materiału, w tym rodzaj podłoża bazowego, właściwości termiczne i grubość  dielektryka, a także ciężaru folii. Wreszcie, wymagania ekonomiczne implikują realistyczne oczekiwania odnośnie kosztu PCB i wykorzystania procesu DFM w całym projekcie, od produkcji PCB po jej montaż. Istotna jest również zgodność z wymogami RoHS i REACH, wymuszających montaż bezołowiowy.

Wybór materiałów

Decyzja o zastosowaniu PCB z podłożem IMS to znacznie więcej niż jedynie wybór odpowiedniego rozwiązania termicznego. Wybór materiałów, od substratu stanowiącego podłoże, przez rodzaj dielektryka, po wagę folii miedzianej, będzie miał znaczący wpływ na niezawodność układu. Konstrukcja materiałów kompozytowych wymusza uwzględnienie efektów termiczno-mechanicznych nie tylko w odniesieniu do materiału podłoża, ale także w stosunku do komponentów montowanych na PCB.

Najpopularniejszym obecnie używanym materiałem bazowym jest aluminium, ale np. podwodne instalacje oświetleniowe wymagają zastosowania stopu miedzi. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na moc i natężenia prądu, zwiększa się grubość miedzi stosowanej w obwodzie. Na kompozyt złożony z miedzi, dielektryka i aluminium większy wpływ mają różnice we współczynniku rozszerzalności cieplnej (CTE). Ogólna zasada brzmi, że gdy grubość folii miedzianej staje się większa niż 10% grubości aluminium, problemem jest nie tylko efekt niedopasowania CTE podczas cykli temperaturowych, ale prawdziwym wyzwaniem staje się także zachowanie idealnego przylegania powierzchni PCB. Oznacza to, że aby zmaksymalizować transfer ciepła do radiatora, na całej powierzchni należy zapewnić pełny kontakt, a ewentualne szczeliny powietrzne są niedopuszczalne.

Efekty CTE

Różnice we współczynniku CTE w materiałach kompozytowych mogą radykalnie wpłynąć na ich niezawodność w zastosowaniach o dużym zakresie temperatur roboczych. Niedopasowanie CTE może spowodować mechaniczne obciążenie konstrukcji, powodując zmęczenie mechaniczne złącza lutowniczego czy pęknięcie elementu. W rezultacie, wybór stosowanych metali musi być dokładnie przemyślany. Ponieważ urządzenia muszą przenosić coraz większą moc, wybór miedzianego materiału bazowego zamiast aluminium stał się popularnym rozwiązaniem spełniającym wymagania odnośnie ciężaru folii miedzianej. W przypadku bazy miedzianej folia i metale bazowe są takie same, co skutkuje znacznie zmniejszonymi naprężeniami w kompozycie, choć z tym rozwiązaniem wiąże się wyższy koszt: miedź jest droższa niż aluminium i aby spełnić wszystkie wymagania produktu, często wymaga też dodatkowej obróbki. Trudności procesu łączenia dielektryka z miedzią powodują, iż istnieje ograniczona liczba dostawców takiego rozwiązania, a aby zapobiec korozji, podłoże miedziane zwykle wymaga solidnego wykończenia ochronnego, takiego jak niklowanie. Nowe materiały, takie jak kompozyty z metalową osnową z węglika glinu i węglika krzemu (AlSiC), mogą rozwiązać problemy związane z niedopasowaniem CTE i kosztownym procesem zabezpieczającym  powierzchnię czystej miedzi.

Wybór dielektryka

Wybór materiału dielektryka powinien koncentrować się na impedancji cieplnej, wytrzymałości dielektrycznej i temperaturze zeszklenia (Tg): wybierający PCB z IMS powinni dobrze rozumieć te cechy. O ile przewodność cieplna wyrażona w W/mK jest ważna, to jednak cieńsze dielektryki, o takim samym przewodnictwie masowym, będą miały lepszą impedancję cieplną. I odwrotnie, grubsze materiały będą miały zwiększoną impedancję termiczną. Impedancja termiczna IMS jest naprawdę ważna: obejmuje również opór międzyfazowy w warstwach kompozytu, który w połączeniu z właściwościami złącza lutowanego powinno być bardzo ważne dla projektanta. Ogólna impedancja termiczna w połączeniu z impedancją urządzenia roboczego określi temperaturę złącza na danym poziomie mocy i w określonej temperaturze otoczenia. Skupienie się wyłącznie na przewodności cieplnej może być mylące przy próbie określenia rzeczywistej wydajności podłoża. Zrozumienie impedancji termicznej jest potrzebne w porównaniu z czystymi podłożami ceramicznymi, takimi jak warstwa miedzi DBC (direct bond copper) lub thick-film. Chociaż materiały te mają znacznie wyższą przewodność cieplną niż IMS, całkowita grubość ich daje wartości oporu cieplnego bardzo podobne do wysokowydajnych podłoży IMS.

Temperatura zeszklenia (Tg)

Powszechnym ‘nieporozumieniem’ jest obawa o działanie IMS powyżej Tg dielektryka. Powyżej Tg materiału jego właściwości mechaniczne i elektryczne zaczynają się zmieniać. Mechaniczne zmiany, na które należy zwrócić uwagę, to zmniejszenie wytrzymałości na odrywanie folii miedzianej, wzrost CTE i zmniejszenie tzw. modułu zachowawczego. Ze względu na zastosowanie w IMS dielektryków opartych o mieszanki ceramiczno-polimerowe, brak szkła i niewielka grubość warstwy dielektrycznej, naprężenia spowodowane rozszerzaniem w osi Z są znacznie zmniejszone. Dzięki tym bardzo cienkim dielektrykom materiał bazowy całkowicie dominuje w kompozycie. Istnieje realna korzyść wynikająca z redukcji naprężeń szczątkowych na interfejsach dielektrycznych, w połączeniach lutowanych i innych połączeniach, generowanych z powodu niedopasowania CTE w wyniku wyboru  dielektryka o Tg poniżej temperatury roboczej. Dzieje się tak, ponieważ materiał dielektryczny powyżej Tg jest w stanie elastomerowym (posiada znacznie niższy moduł zachowawczy), co pozwala na redukcję niektórych naprężeń. Podczas pracy powyżej Tg należy również wziąć pod uwagę zmiany właściwości elektrycznych, chociaż zwykle są one ważne tylko przy częstotliwościach powyżej 1 MHz. Skutki, które należy wziąć pod uwagę, to zmiany przenikalności elektrycznej, strat dielektrycznych i wytrzymałości materiału na przebicie. Inną kluczową uwagą jest to, że większość dostępnych podłoży IMS ma Tg w zakresie 105ºC, ale niektóre mają maksymalne temperatury robocze UL wynoszące 130ºC lub więcej (nie stanowi to jednak problemu w zastosowaniach oświetleniowych LED, gdzie maksymalna temperatura pracy złącza to 95°C). Eksploatacja powyżej limitu UL MOT spowoduje zmniejszenie właściwości elektrycznych i mechanicznych w przewidywanej żywotności 100.000 godzin.

Pojemność prądowa

Waga folii miedzianej jest bardzo ważnym czynnikiem w projekcie. Należy wziąć pod uwagę grubość folii miedzianej potrzebną do spełnienia wymagań przepływu energii wraz z wymaganiami efektywnego rozpraszania ciepła przez urządzenie. Dodatkowy prąd, który może zostać zakumulowany w IMS, wynika z ze zdolności materiału do rozpraszania ciepła generowanego przez straty I2R, co pokazano na poniższym rysunku:

Na zdolność rozpraszania ciepła przez IMS wpływają grubość dielektryka i grubość folii. Zwiększając grubość przewodnika miedzianego, wraz ze stratami I2R w ścieżkach miedzianych zwiększa się rozpraszanie ciepła i obniża się temperatura urządzenia. Pozwala to na znacznie wyższą obciążalność prądową PCB z IMS niż FR4, ze względu na zdolność do rozpraszania ciepła z powodu utraty I2R w obwodach miedzianych.

Rozprowadzanie ciepła

Bardzo ważna jest również zdolność rozpraszania ciepła IMS, na którą wpływają zarówno grubość miedzi, jak i grubość dielektryka. Większa zdolność rozpraszania ciepła oznacza obniżenie temperatury złącza, umożliwiając wyższą moc w układzie i zwiększając niezawodność. Zwiększenie grubości miedzi zmniejsza odpowiednio temperaturę obudowy urządzenia zasilającego. Znaczenie tej zależności jest nie do przecenienia w odniesieniu do dostępnej mocy i długoterminowej niezawodności. Jako ogólną zasadę można przyjąć, że dzięki obniżeniu temperatury złącza o 10ºC, można uzyskać dwukrotny wzrost średniego czasu między awariami (mean time between failures, MTBF). To głównie dzięki tym właściwościom IMS tak szybko rozpowszechnił się w prawie wszystkich zastosowaniach oświetlenia LED.

Źródło: Optimizing the Insulated Metal Substrate Application with Proper Material Selection and Circuit Fabrication Dave Sommervold, Chris Parker, Steve Taylor, Garry Wexler © The Bergquist Company

Zapraszamy 15 września 2023 na TEK.day Gdańsk, zapisz się już dziś!