IMS- & METAL CORE

Für IMS- und Metallkern-Leiterplatten werden spezielle Materialien eingesetzt, die eine optimale Kombination aus elektrischer Isolation, mechanischer Stabilität und hoher Wärmeleitfähigkeit bieten. Als Metallkern wird üblicherweise Aluminium verwendet, da es ein sehr gutes Verhältnis aus Wärmeleitfähigkeit, Gewicht und Kosten bietet; alternativ kommt auch Kupfer zum Einsatz, wenn besonders hohe thermische Anforderungen bestehen.

Die Isolationsschicht zwischen Leiterbahnen und Metallkern besteht meist aus polymerbasierten Dielektrika, die mit keramischen Füllstoffen angereichert sind, um eine hohe Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit zu erreichen. Für die Leiterbahnen wird klassischerweise Kupfer eingesetzt, wobei unterschiedliche Kupferstärken je nach Strom- und Leistungsanforderung realisierbar sind. Ergänzend kommen bewährte Oberflächen wie HAL, chemisch Nickel/Gold oder chemisch Zinn zum Einsatz, um eine sichere Kontaktierung und gute Lötbarkeit zu gewährleisten.

Für IMS- und Metallkern-Leiterplatten (typisch: Kupferlage + wärmeleitendes Dielektrikum + Metallträger) ergeben sich ein paar besondere Fertigungsanforderungen, vor allem wegen Wärmeabfuhr und Metallbasis:

• Materialkontrolle des Aufbaus: Die Dicke und Wärmeleitfähigkeit der Dielektrik-Schicht (Isolation) müssen eng toleriert werden, weil sie direkt den thermischen Widerstand und die Durchschlagsfestigkeit bestimmt.

• Saubere, haftfeste Verbundschicht: Die Haftung zwischen Kupfer–Dielektrikum–Metallkern muss prozesssicher sein (Delamination vermeiden), inkl. definierter Press- bzw. Laminationsparameter.

• Angepasste Bearbeitung des Metallkerns: Fräsen, Bohren und Konturieren sind anspruchsvoller als bei FR4 (Werkzeugverschleiß, Gratbildung, Maßhaltigkeit) und erfordern passende Werkzeuge sowie Entgratung.

• Thermisch robuste Leiterbild- und Lötstopp-Prozesse: Ätzen, Oberflächenfinish und Lötstopplack müssen auf den IMS-Aufbau abgestimmt sein, damit es keine Haftungsprobleme, Unterätzung oder Maskenrisse gibt.

• Vias/Bohrungen nur eingeschränkt: Klassische Durchkontaktierungen durch den Metallkern sind je nach Aufbau nicht oder nur mit Spezialprozessen möglich; Wärmeableitung erfolgt meist über großflächige Kupferbereiche und definierte thermische Anbindungen.

• Planarität und Verzug im Griff: Metallträger und unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten können zu Verzug führen; daher sind kontrollierte Prozessführung, symmetrische Kupferverteilung und geeignete Dicken wichtig.

• Elektrische Sicherheitsanforderungen: Isolationsabstände, Kriechstrecken und Hochspannungsfestigkeit müssen zur Anwendung passen; häufig gehören HiPot-/Isolationsprüfungen zum Prüfplan.

• Thermische Verifikation: Für Leistungsanwendungen werden oft Prüfungen/Validierungen zum thermischen Pfad gefordert (z. B. definierte Schichtdicken, Rth-Anforderungen, Wärmeverteilung).

• Spezifische Anforderungen für die Montage: Große Kupferflächen auf IMS beeinflussen das Reflow-/Lötprofil (Wärmesenke!); deshalb sind angepasste Lötprofile und ggf. Pasten-/Stencil-Optimierung nötig.

• Stromschleifen kurz halten: 

  MOSFET/IGBT, Treiber und die zugehörigen Keramik-/Film-Kondensatoren sollten so platziert werden, dass die „heißen“ Schleifen (z. B. Half-Bridge, Snubber, DC-Link) extrem klein bleiben. Dies minimiert EMV-Probleme, Überschwingen und Leitungsverluste.

• Thermal Pads richtig dimensionieren: 

  Unter Leistungsbauteilen sind großflächige Kupfer-Heatspreader und definierte thermische Anbindungen zum Metallkern erforderlich. Dies gewährleistet eine stabile Junction-Temperatur und stellt sicher, dass die berechnete thermische Leistung in der Praxis zuverlässig erreicht wird.

• Isolation vs. Wärme trade-off:

  Dielektrikum und Abstände müssen passend zur anliegenden Spannung gewählt werden. Bei höheren Spannungen steigen die Anforderungen an Kriech-/Luftstrecken und oft auch die benötigte Isolationsdicke – dies verbessert die elektrische Sicherheit, erhöht jedoch den thermischen Widerstand.

• Masseführung und Rückstrompfade planen: 

  Eine saubere Trennung von Power-GND und Signal-GND, definierte Rückstromwege sowie sinnvoll platzierte Stern-/Kelvin-Punkte reduzieren Störungen und stabilisieren empfindliche Messungen (Shunt, Current Sense, Gate).

• Shunts und Messpfade als Kelvin führen: 

  Strommesswiderstände, Source-/Emitter-Widerstände und Sense-Leitungen sollten stets getrennt (als Kelvin-Anschluss) ausgeführt werden, um layoutbedingte Messfehler zu vermeiden und präzise Stromwerte zu erfassen.

• Gate-Drive niederinduktiv und symmetrisch anbinden

  Gate-Widerstand, Gate-Loop, Treiberplatzierung und gegebenenfalls getrennte Turn-on-/Turn-off-Widerstände sind entscheidende Faktoren zur Minimierung von Schaltverlusten, EMV-Emissionen und thermischem Bauteilstress.

• Thermal-Reliefs gezielt einsetzen: 

  Großflächige Kupferanbindungen erschweren oft die Lötbarkeit der Pads. Bei Power-Pads muss der Einsatz von Thermal-Reliefs (Wärmefallen) jedoch sehr bewusst abgewogen werden, da diese die Wärme- und Stromführung signifikant verschlechtern können.

• Mechanik und Wärmeübergang definieren: 

  Auflagefläche, Schraubpunkte, Isolierkonzept und das TIM (Wärmeleitpad/-paste) müssen so geplant werden, dass die Wärme optimal in den Kühlkörper oder das Gehäuse abgeleitet wird. Auch der beste IMS-Aufbau ist nur so effizient wie seine mechanisch-thermische Ankopplung an das Gesamtsystem.

• Creepage/Clearance & Schlitzungen: 

  Bei höheren Spannungen sind normgerechte Abstände, strategische Slots/Fräsungen und eine durchdachte Lötstopplack-Strategie (z. B. „Keepout-Zonen“ um HV-Bereiche) essenziell – insbesondere bei kompakten Designs.

• EMV bereits im Layout berücksichtigen:

  Die frühzeitige Einplanung von Snubber-Plätzen, RC-Dämpfung, Gate-Klemmen, TVS-/Überspannungsschutz sowie optionalen Messpunkten beugt EMV-Problemen vor und erspart zeitaufwendige Redesigns.

Wird der Metallkern von außen aufgesetzt, kann die „fertige“ Schaltung (z. B. ein Multilayer) mittels spezieller wärmeleitender Prepregs direkt auf den Träger verpresst werden. Dies bietet Entwicklern maximalen Gestaltungsspielraum im Layout. Gezielt platzierte und mit Heatsink-Paste verfüllte Thermal-Vias sorgen dabei für eine hocheffiziente thermische Anbindung. Diese Technologie ist die optimale Lösung, um auch bei hochkomplexen Schaltungsaufbauten eine exzellente Entwärmung zu garantieren.