Räumlich Baugruppen Thermisches Management mit 3D-MIDs

3D-MIDs dienen im Gegensatz zu klassischen Leiterplatten nicht nur als Schaltungsträger, sondern können aufgrund der geometrischen Freiheiten auch weitere Funktionen erfüllen. Insbesondere für die Kühlung von Bauteilen bieten sich neue Möglichkeiten durch die Integration von wärmeleitenden Strukturen.

Die fortschreitende Miniaturisierung von integrierten Schaltungen, Sensoren und Aktoren impliziert neue, höhere Anforderungen an die Aufbau- und Verbindungstechnik. Damit verbunden sind auch ein stetiger Anstieg der Energiedichte und zunehmende Probleme bei der Kühlung der Bauteile. Je nach Anforderung kommen Kühlkörper, Lüfter, Heatpipes oder Wasserkühlungen zum Einsatz. Diese Kühlkomponenten verursachen jedoch zusätzlichen Montageaufwand und vergrößern das Volumen des Gesamtsystems.

Die 3D-MID-Technik ermöglicht dreidimensional geformte Spritzgießteile mit integrierter thermischer Funktion. Dafür notwendige Strukturen können im 3D-MID-Herstellungsprozesses ohne signifikanten Mehraufwand erzeugt werden.

Passive Kühlung

Passive Kühlungen basieren auf dem Prinzip der natürlichen Konvektion in Kombination mit Wärmespreizung durch Wärmeleitung. Für den konvektiven Wärmeübergang sind die Wärmeübergangszahl α bzw. der Wärmeübergangswiderstand Rth,α entscheidend:

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Hierbei sind Q̇ der Wärmestrom, Θ die Temperatur und A die Fläche. Die zur Verfügung stehende Kühlfläche A hat entscheidenden Einfluss auf den konvektiven Wärmeübergang. Zur weiteren Spezifikation der freien Konvektion, wie sie im Fall der passiven Kühlung vorliegt, eignen sich Kennzahlen wie die Grashof-Zahl oder die Rayleigh-Zahl [1].

Als Kühlflächen eignen sich nicht anderweitig genutzte Oberflächen des 3D-MID-Schaltungsträgers. Allerdings limitiert die schlechte thermische Leitfähigkeit des für die MIDs genutzten Polymermaterials den Wärmetransport zu den Konvektionsflächen.

Die Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit von 3D-MID-kompatiblen Thermoplasten wurde unter anderem in [2] untersucht. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Oberflächenmetallisierung selbst als Wärmeleiter zu nutzen. Für Wärmepfade durch den MID-Schaltungsträger eignen sich thermische Vias [3], die ebenfalls in den MID-Herstellungsprozess integrierbar sind.

Mit einem FEM-Simulationsprogramm (Finite-Elemente-Methode) wurden die thermischen Verhältnisse einer auf einem einfachen Plattensubstrat montierten Leistungs-LED simuliert. Auf Grundlage dieses Modells erfolgte die Simulation der Auswirkungen von verschiedenen Maßnahmen zur Verbesserung der Kühlleistung (Bild 1). Die Simulationen zeigen, dass durch passive Kühlmaßnahmen die Temperatur der LED von 136 °C auf 102 °C gesenkt werden kann.

Auf Grundlage der Simulationsergebnisse wurden zwei verschieden Plattensubstrate mit je zwei verschiedenen Layoutvarianten realisiert. Die Version B aus Bild 2 ergänzt hierbei die zweidimensionale Version A um dreidimensionale Kühlflächen. Durch diese einfache Maßnahme konnte die verfügbare Kühloberfläche um 40 % gesteigert werden.

Die zwei- und dreidimensionalen Oberflächen- metallisierungen wurden mit dem LDS-Verfahren [4] erzeugt. Sie bestehen aus Cu/Ni/Au-Schichten mit einer Gesamt-dicke von 10 µm. In einem Dampfphasenlötofen wurde die Leistungs-LED mit SAC-Lotpaste verlötet. Für die Untersuchungen wurde die LED-Temperatur durch ein elektrisches Verfahren gemessen, basierend auf der Temperaturabhängigkeit der Leuchtdioden-Vorwärtsspannung [5].

Alle in Bild 2 gezeigten Schaltungsträgervarianten wurden in Bezug auf die thermischen Eigenschaften charakterisiert. Jede Messung wurde zehnmal wiederholt, die Ergebnisse wurden gemittelt. Die Einzelwerte wichen maximal ±2 K vom jeweiligen Mittelwert ab.

Die Ergebnisse sowie der Vergleich mit den ermittelten Simulationsdaten sind in Bild 3 zusammengefasst.

Für alle Kühlszenarien zeigen die Messergebnisse eine gute Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen. Abweichungen von maximal 3 K lassen sich z.B. durch Toleranzen der manuellen LED-Montage erklären.

Die gemessenen LED-Chiptemperaturen erlauben weiterhin die Berechnung des thermischen Widerstandes Rth,ges des Gesamtsystems.

Rth,ges konnte durch die beschriebenen passiven Kühlmaßnahmen von 86 K/W auf 58 K/W gesenkt werden.