Buchauszug: Wärmemanagement mit isolierten Metallsubstraten, Teil 4

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Das Folgende ist ein Auszug aus Kapitel 4 von „The Printed Circuit Designer's Guide to... Thermal Management With Insulated Metal Substrates“, geschrieben von Didier Mauve und Ian Mayoh von der Ventec International Group. In diesem kostenlosen E-Book stellen die Autoren PCB-Designern die wesentlichen Informationen zur Verfügung, die sie zum Verständnis der thermischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften isolierter Metallsubstratlaminate benötigen.

Kapitel 4: Anwendungsbeispiele

HauptanwendungsgebieteIsolierte Metallsubstrate finden viele Anwendungen in den Bereichen Automobil- und Industrie-LED, Stromumwandlung, Allgemeinbeleuchtung, Straßensicherheit, Hintergrundbeleuchtungseinheiten und E-Fahrzeuge (Abbildung 4.1).

Abbildung 4.1: Hauptanwendungen für IMS.

Scheinwerfer Kompakte LED-Lampeneinheiten geben Autostylisten zusätzliche Freiheit. Helle Beleuchtung mit tageslichtähnlichen Farbtemperaturen sorgt für klare Sicht. Allerdings gehen bis zu 80 % der zugeführten elektrischen Leistung als Wärme verloren, was die Ingenieure vor große Herausforderungen beim Wärmemanagement stellt.

Matrix-Scheinwerfer verfügen über mehrere eng beieinander liegende Emitter auf einem einzigen Substrat. Ein Substrat mit hoher Wärmeleitfähigkeit, entweder einer Aluminium- oder Kupfergrundplatte und einer Dielektrikumsdicke von etwa 0,002 Zoll (0,05 mm) ist eine typische Wahl, um langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Ein nicht verstärktes Dielektrikum minimiert Belastungen aufgrund von CTE-Fehlanpassungen zwischen den Kupferfolie und Aluminium-Grundplatte. Eine Kupfer-Grundplatte kann verwendet werden, wenn die Matrixdichte extrem hoch und die Leistung sehr hoch ist, um mögliche CTE-Fehlanpassungen zu beheben. Strahler mit mehreren Platinen, die jeweils zwei oder drei Emitter enthalten, konzentrieren die thermische Herausforderung auf kleinere Substrate Ausgestattet mit einer Aluminium-Grundplatte und einer Gesamtwärmeleitfähigkeit von 2–3 W/mK einschließlich der dielektrischen Schicht, die typischerweise etwa 0,003–0,004 Zoll (0,075–0,010 mm) beträgt.

Kfz-Blinker LEDs für Blinker liegen typischerweise im Leistungsbereich von 3W. Eine Drei-Emitter-Einheit führt etwa 7 Watt Wärmeenergie ab, die dem Bauteil entzogen werden muss. IMS ist oft die effizienteste und kostengünstigste thermische Verbindung zum Metallgehäuse. Extreme Größen- und Formbeschränkungen können Designer dazu veranlassen, sich für ein Substrat mit einer Wärmeleitfähigkeit von 3 W/mK und einem Dielektrikum von 0,002" oder 0,003" (0,05–0,075 mm) zu entscheiden.

Hochleistungsmotorantrieb für elektrische Servolenkung Elektrische Servolenkungen (EPS) und andere motorbetriebene Mechanismen, einschließlich leistungsstarker elektrischer Traktionsumrichter in Elektrofahrzeugen, können noch größere Herausforderungen beim Wärmemanagement darstellen. Mit einem leistungsstarken IMS mit einer Wärmeleitfähigkeit von 3–4,2 W/mK und einem Dielektrikum von 0,004–0,006 Zoll (0,10–0,15 mm) können die Ziele hinsichtlich Modulgröße und Zuverlässigkeit kostengünstig erreicht werden. Eine Alternative ist Direct Bonded Copper (DBC). Bei extrem leistungsstarken Anwendungen wie Wechselrichtern können Leistungstransistoren als Bare-Chip auf die IMS/DBC-Schaltkreisschicht gelötet und ein flüssigkeitsgekühlter Kühlkörper an der Grundplatte befestigt werden. Bei einigen Modulen, wie zum Beispiel kombinierten On-Board-Ladegeräten (OBC) und DC/DC-Wandlereinheiten für Elektrofahrzeuge, ist die Grundplatte in ein Gussmetallgehäuse integriert und die Spezifikation wird in Absprache mit dem Gießer festgelegt.

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