High Performance Leiterplattensystem bewegt die

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High Performance Leiterplattensystem
Miniaturisierung – HDI – Wärmemanagement – Printed Polymer
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Seite 1
06.10.2015
Hoch zuverlässige Leiterplatten
und Baugruppen in der Automobilelektronik
am Beispiel eines High Performance Leiterplattensystems
1. Miniaturisierung
 HDI Technologie
 Zuverlässigkeit – IST
2. EmbR - gedruckte eingebettete Widerstände


Performance - Toleranzen
Zuverlässigkeit
3. Wärmemanagement
 Thermovias
 Kühlkörper / Heat Sink
 Thermische Simulation
Stefan Keller
Produktmanager
4. Kosten

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FR4 statt Keramik
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06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Marktanforderungen
Produkte
Zielsetzung des Kunden:
 Leiterplatten- bzw. Baugruppengröße auf 1/4 gegenüber der noch laufenden
Vorgängergeneration reduzieren
 Verwendung von komplexen und „kleinen“ Bauteilen
 Hohe Dauereinsatztemperatur (- 40 bis +140° C Umgebungstemperatur)
 Unverändert hohe Langzeitzuverlässigkeit, min. 10 Jahre, 20.000 h (Einsatz im
Nutzfahrzeugbereich)
 Geeignet für „raue“ Umgebungsbedingungen, z.B. Vibration, mech. Schock
 preislich wettbewerbsfähig
Anforderung an den Leiterplattenhesteller




Kompetentes Team Technologie, Prozessentwicklung, Qualitätsmanagement
Projektmanagement
Testequipment
Investitionsbereitschaft
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06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Miniaturisierung
Produkte
Neue LP Größe: 1/4
1. Ansatz (temporär): LTCC - Keramiklösung
> funktioniert, Zielsetzung aber nur bedingt
erreicht da relativ teuer
2. Ansatz:
High Performance FR4 Leiterplattensystem
50 x 140 mm
Kombination HDI- und Printed Polymer Technologie
in Verbindung mit optimiertem Wärmemanagement
> Zielsetzung erreicht, Produktionsstart Anfang 2015
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06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Miniaturisierung durch HDI Technologie
Produkte
LP Größe / Baugruppengröße > kann entscheidend für den Erfolg eines Produktes sein!
Langjährige Empfehlung des WE HDI Produktmanagements:
 Reduzierung der Verdrahtungsfläche durch den Einsatz von
Microvias + Buried Vias statt durchgehenden Vias

> bei der gezeigten Anwendung perfekt umgesetzt
Buried Via
Microvia
Vermeidung von PTH Vias
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06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Miniaturisierung durch HDI Technologie
Lagenaufbau HDI06_2+2b+2
 Hohe Packungsdichte durch Microvias + Buried Vias,
ohne durchgehende (PTH) Vias
 2. Microvia Lage
 Höchste Zuverlässigkeit durch geringe LP-Dicke
unter 1.0 mm (= geringe Z-Achsenausdehnung)
 Basismaterial Low CTE TG 170°, gefüllt, halogenfrei
Durchgehende Vias sind i.d.R. die
Schwachstelle einer Leiterplatte was die
Zyklenfestigkeit der Bohrungen angeht.
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06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Zuverlässigkeit Leiterplatte
Produkte
Durchgeführte Untersuchungen:


Temperaturwechseltests TWT -40° / +155° C
(LP + Teststreifen)
IST
 Ergebnisse: jeweils 1000 Zyklen
problemlos bestanden
Weitere Tests wurden am Komplettsystem
durchgeführt.
Ebenso die Untersuchungen durch den Kunden
an der kompletten Baugruppe
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06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Zuverlässigkeit Leiterplatte
Interconnect Stress Test - IST
Der IST bietet einige entscheidende Vorteile gegenüber den
herkömmlichen Temperaturwechseltests (TWT):



1000 Temperatur - Zyklen in 4 Tagen
Onlinemessung der Messkreise
IST = sehr aussagefähiger Test

Spezieller Testcoupon
abgestimmt auf das PCB-Layout
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06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Zuverlässigkeit - IST

Vorbehandlung: 6 x Reflow 245° C
oder 2 x 260° C Reflow-Simulation im IST
oder gemäß Kundenspezifikation
 Elektrische Aufheizung des Coupons über den
Power-Kreis auf 150°C innerhalb von 3 Minuten,
Abkühlung auf Raumtemperatur
in 2 Minuten
 Onlinemessung von Temperatur und Widerstand
(+ 10 % max. Widerstandserhöhung zulässig)
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06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Zuverlässigkeit - IST

Messergebnisse HDI Lagenaufbau (ohne PTH Vias)
TEST RESULTS
Coupon
ID
5209_10
5209_11
5209_14
5209_2
5209_5
5209_8
5209_9
Pwr Cycles
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
Pwr %
0
-0.3
0.6
-0.1
-0.2
-0.5
-0.3
SenseA
Cycles
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
SnsA %
0.1
-0.2
0.6
-0.1
-0.2
-0.5
-0.2
SenseB
Cycles
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
SnsB %
Results
0.2
-0.1
0.5
0.1
-0.3
-0.4
-0.3
Accept
Accept
Accept
Accept
Accept
Accept
Accept
CusSpec
N/A
Mean
Std Dev
Min
Max
Range
Coef Var
Zuverlässig hergestellte
Microvias haben eine
hohe Zyklenfestigkeit
von weit über 1000 IST
Zyklen
(≙ 3000 TWT Zyklen)
N/A
N/A
TEST PROTOCOL: 334
------------------------------------PASS------------------------------------
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06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Zuverlässigkeit – IST – Leiterplatte allg.
 Testergebnisse PTH Vias (allgemein) / TG 150 Material
Weibull - Analyse
In Weibull Wahrscheinlichkeitsbetrachtungen können
Ergebnisse von Zyklenfestigkeiten sehr aussagefähig
dargestellt werden. Unterschiede zwischen verschiedenen
Materialien, Viatypen, Bohrdurchmessern, Cu-Schichtdicken,
Temperaturbelastungen, usw. sind klar erkennbar.
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06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Zuverlässigkeit - Lötprozess
IPC-7095C: „max. 22% of the image diameter“
Die Entstehung von Voids ist auch abhängig von:
- Flussmittel / Lotpasten
- Löt – Temperatur – Profil
- der gleichmäßigen bzw. ungleichmäßigen
Durchwärmung der Leiterplatte (Layout, Aufbau)
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06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Zuverlässigkeit – Lötprozess / Microvia Filling
Da beide Varianten,
gefüllte und ungefüllte Microvias,
Vor- und Nachteile haben, gibt WE
hierzu keine Empfehlung.
Jeder muss für sich
entscheiden!
KupferFilling
Filling = Aufpreis!!
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Filled &
capped
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06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Gedruckte Widerstände – Printed Polymer allg.
Anwendungen:
• Pull-up und Pull-down Widerstände
• Spannungsteiler
• Allg. Schaltungswiderstände
• Hohe Zuverlässigkeitsanforderungen
Fakten:
• Pasten mit verschiedenen Widerstandswerten
• Toleranz Druckprozess R +/- 30 % (Standard)
• Toleranz nach Laserabgleich +/- 5 % über die ganze Lebensdauer
• Widerstandswerte von 50Ω to 1 MΩ (Standard)
• Leistung einfach anpassbar
• Geringer Temperaturkoeffizient (≙Widerstandsänderung) +/- 300 ppm/K
• Standardgröße min. 1,75 mm × 1,25 mm
• Dicke des Widerstandes ca. 20 µm
• Design Rules verfügbar
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06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Gedruckte Widerstände – Printed Polymer
WE: 10 Jahre Erfahrung mit
gedruckten Widerständen mit
Polymer Pasten (Carbon)
- Miniaturisierung mit
eingebetteten Widerständen
EmbR
- Zuverlässigkeitsvorteile
p
Länge
R = ------- x -------0,02
Breite
p = Pastenwert
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06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Gedruckte Widerstände – Laserabgleich
Toleranz Widerstandswert ohne
Laserabgleich max. +/- 30%
Mit Laserabgleich (Trimming)
nach der Bearbeitung: bis +/- 1%
Über ganze Lebensdauer: +/- 5%
Traceability:
Der Laserabgleich ermöglicht durch binäre
Kodierung von zusätzlich eindesignten
Widerständen eine perfekte
Rückverfolgbarkeit.
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06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Gedruckte Widerstände – Auswahl Pasten
Im 1. Schritt waren umfangreiche
Untersuchungen erforderlich, um zu
ermitteln welche Pasten die an das
Komplettsystem gestellten hohen
Anforderungen erfüllen können.
Insbesondere die Stabilität der
Widerstandswerte unter
Temperatureinfluss stellt für viele
Pastensysteme eine Herausforderung
dar.
Widerstandsänderung 4 Pasten @ 155° C
betrieben mit max. Leistung
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06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Gedruckte Widerstände – Tests
• Power Derating
Ziel des Power–Derating Tests ist 2es, die
Paste
Rated Power at 70°C (mW/mm )
max.
elektrische
Belastung
des
WE-2D-250.1
179
Widerstandes
zu ermitteln,
ohne den
WE-2D-10k.1
100
Widerstand irreversibel zu beschädigen,
bei konstanter Stromstärke
Ergebnis: auch bei 140° C liegt die
Verlustleistung noch weit über den
angestrebten 50 mW/mm²
Die Performance der gedruckten
Widerstände ist mindestens genau so gut
wie bei vergleichbaren SMD Widerständen und EmbR anderer
Embedded Technologien.
• TWT Temperaturwechseltest
-40° C / + 155° C, 1000 Zyklen, Transferzeit max. 20 s, Haltezeit 15 Min., Widerstandsänderung max. 2 %
>>mit +125° C: 4000 Zyklen bestanden ohne Ausfall
(Längenausdehnung vergleichbar mit Basismaterial)
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06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Gedruckte Widerstände – Tests
Qualifizierung des Systems
Widerstände und Spannungsteiler
Test
Testmethode
Prozedur
Max. Abweichung
Einzelwiderstand
Temperature Coefficient of
Resistance (TCR)
DIN EN 60115-1:2012-04, 4.8
+20 / -40°C ...+20°C / +140°C
- 700 …– 300 ppm/K
Hochtemperaturauslagerung
High Temperature Exposure
(HTE)
MIL-STD-202 Methode 108
1000 h @ TA = 150° C unbelastet
+/- 3%
Feuchtebeständigkeit
Moisture Resistance
MIL-STD-202 Methode 106
25°/65°, 95% rF, 3 Zyklen in 24h,
10 Tage, unbelasted
+/- 2%
Feuchtediffusion
Biased Humidity
MIL-STD-202 Methode 103
1000 h, 85°C, 85% rF, 10 % der
Nennleistung (50 mW/mm²)
+/- 3%
High Temperatur Operating
Life
(HTOL)
MIL-STD-202 Methode 108
1000h HTE, danach 1000 h HTOL
@ TA = 140° C mit Nennleistung
+/- 20%
Lötbeständigkeit
Resistance to Soldering Heat
IPC-TM650
5 mal 260 +/- 5 ° C, 10 +/- 1 s
+/- 2 %
Dieselben Prüfungen wurden mit den komplett bestückten Baugruppen
vom Kunden ebenfalls durchgeführt.
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Seite 19
Auszug aus Qualifizierungsprogramm
06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Gedruckte Widerstände – Prüfungen
Qualifizierung des Systems: Vorbereitung HTOL
Aufbau der Messung
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Seite 20
06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Gedruckte Widerstände – Tests
Jährliche Re-Qualifizierung des Systems
Widerstände und Spannungsteiler
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Seite 21
06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Wärmemanagement - allgemein
Thermische Simulation
Möglichkeiten auf Leiterplattenbasis:
• Entwärmung über Vias
• Wärmespreizung über Masseflächen
und aufgeklebte Kühlkörper (Heatsink)
Ziele:
• Absenkung der Temperatur am Bauteil
• Vermeidung von kritischen Temperaturen
innerhalb des Bauteils und der Baugruppe
• Verlängerung der Lebensdauer und Sicherstellen
der Langzeitzuverlässigkeit der Baugruppe
Im Grenzbereich ist eine thermische Simulation im
Vorfeld dringend zu empfehlen.
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Seite 22
Variante 2
Variante 3
06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Wärmemanagement - Leiterplattensystem
Optimiertes Wärmemanagement
Anforderungen an das
System

Einsatztemperatur
140° C, kurzzeitig 150°C

ALU-Kühlkörper
mit hoher Oberflächengüte


Dickdraht bondbar
ausreichende
Haftfestigkeit in
Verbindung mit
Wärmetransferkleber

neue logistische
Herausforderung für
LP-Hersteller
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• hohe Anzahl Microvias (direkt in
Lötfläche) und Buried Vias
• großer Querschnitt
• geringer Wärmewiderstand
• dünner Wärmetransferkleber 50
µm d.h. EmbR sehr nahe an
Wärmesenke (Kühlkörper)
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06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Wärmemanagement – Haftverbund
Nachweis der Haftung Leiterplatte auf ALU
Kühlkörper
Ziel: ca. 0.60 N/mm²
Vorbehandlung
 TWT (-40°C / +155°C) 1000 Zyklen
 Klimalagerung 1000 h (85°C / 85% Luftfeuchtigkeit)
 Hochtemperaturauslagerung (HTE Test)
1000 h im Ofen / 155°C
Ergebnis:
Für guten Haftverbund erforderlich:
 Verklebung unter Berücksichtigung von definierten
Druck-, Temperatur-, Zeitparametern
 Oberflächenspannng ALU min. 38 mN/m
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Seite 24
06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Wärmemanagement – Simulation LP Unterseite
Umgebungstemperatur:
140°C
Max.
Temperatur
am
Widerstand:
153.5 °C
Leistungen
gemäß
KundenSpezifikation
Thermische Simulation - Würth Elektronik CBT Produktmanagement
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Seite 25
06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Wärmemanagement – Thermographie-Messung
LP Unterseite
Die Thermographie-Messungen
bestätigen im wesentlichen die
Ergebnisse der Simulation.
Da diese Messungen sehr aufwändig sind,
kann immer nur eine begrenzte Anzahl von
Widerständen untersucht werden.
Umgebungstemperatur 140° C
Widerstände bestromt mit 5-30 V (HTOL Test)
Messung nach 60 Min.
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Seite 26
06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Wärmemanagement – Thermographie-Messung
LP Oberseite
Die Thermographie-Messungen
zeigen dass auch auf der
Leiterplattenoberseite durch
die Belastung der
Wiederstände keine kritischen
Hotspots auftreten.
Umgebungstemperatur 140° C
Widerstände bestromt mit 5-30 V (HTOL Test)
Messung nach 60 Min.
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Seite 27
06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Kosten
FR4
Keramik
•
•
Hohe Temperaturbeständigkeit
•
•
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Seite 28
Hohe
Funktionalität
Höchste
Packungsdichte
Kostengünstig
06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Kosten – Leiterplatte allg.
 Hauptvorteil FR4 Leiterplatte: Fertigung im „großen“ Fertigungspanel
Kostentreiber Leiterplatte
Vorgestelltes System
Leiterplattengröße
+
Ungünstiger Liefernutzen /
X-Out
++ Einzel-LP
Komplexer Lagenaufbau
≈
Materialkosten
++ Nur ein Kern, vier Prepregs, TG170
Mech. gebohrte Vias
++ Nur Buried Vias im dünnen Kern
Anzahl Galvanikschritte
≈
Nur drei „einfache“ DK Prozesse
Aufwändige
Konturbearbeitung
+
Einfache Fräskontur
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Relativ klein
Zweifachverpressung
Seite 29
06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Anforderung an LP Hersteller
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
metallurgische Schlifferstellung
Prüfung nach IPC-6012 Klasse 3
Stereo/Lichtmikroskopie (VIS/UV)
IR Kamera
Ionograph
CAF Messung
Klimaschrank
Temperaturwechseltest TWT
Stromstoßtest
Pressure Cooker Test
XRF
IST
Thermosimulation
Testequipment für
• HTOL
• Power Derating
Labview - gesteuert
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
Zusammenarbeit mit Instituten
•
•
•
•
•
Seite 30
REM/EDX (Uni Basel, EMPA Zürich)
FIB (Uni Basel, EMPA Zürich)
XPS (IGB Stuttgart)
Benetzungstests (ISIT Itzehoe)
Ultraschallmikroskopie (ISIT Itzehoe)
06.10.2015
High Performance Leiterplattensystem
Zusammenfassung
• Miniaturisierung durch
- HDI Technologie
- gedruckte Widerstände (Printed Polymer)
• Höchste Zuverlässigkeit durch dünnen HDI Lagenaufbau ohne PTH Vias
• Eine Technologiekombination aus
- HDI
- gedruckten Widerständen
- optimiertem Wärmemanagement
kann die kosteneffektive Substitution einer Keramik Lösung durch eine FR4
Leiterplatte ermöglichen.
• Ein kompetenter breit aufgestellter Leiterplattenhersteller kann eine solche
Aufgabenstellung umsetzen.
• Systemlösungen werden zukünftig ein wesentlicher Teil der Zusammenarbeit sein.
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Seite 31
06.10.2015
Produkte
Systeme
Dienstleistungen
Die Kenntnis der Zusammenhänge ist ein Erfolgsgeheimnis!
Wir freuen uns auf die
Zusammenarbeit!
Stefan Keller
Produktmanager
[email protected]
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Seite 32
06.10.2015