Große Wärmemengen bei leistungsfähigen Schaltungen können mit Standardleiterplatten aus FR4 nicht ausreichend abgeführt werden. Daher kommen Leiterplatten mit Aluminium- oder Magnesiumkern mit Wärmeleitfähigkeiten von bis zu 7 W/mK zum Einsatz. Durch die Kombination von Plasmachemischer Oxidation (PCO), Sol-Gel-Verfahren und Kaltplasmaspritzen wurden Magnesiumkernleiterplatten mit geschlossenen Kupferleitbahnen entwickelt, die Spannungen von 1 kV standhalten.
Large amounts of heat produced by powerful circuits cannot be dissipated sufficiently by standard circuit boards made of FR4. Instead, PCBs with aluminum or magnesium core with thermal conductivities of up to 7 W/mK are used. Through the combination of plasma chemical oxidation (PCO), sol-gel processes and cold plasma spraying, magnesium PCBs with closed copper layers have been developed that can withstand voltages of 1 kV.
Einleitung
Im Zuge der Digitalisierung steigt der Bedarf an leistungsfähigen Schaltungen und robuster Schaltungselektronik spürbar. Da Standardleiterplatten aus Verbundmaterialien wie FR4 nur eine unzureichende Wärmeabführung von 0,3 W/mK bieten, sind besonders bei Anwendungen mit Hochstrom oder beim Einsatz von Power-LEDs Alternativen mit besserer Wärmeabführung gefragt. An dieser Stelle kommen Metallkern- oder IMS-Leiterplatten (insulated metal substrate) mit Wärmeleitfähigkeiten von bis zu 7 W/mK zum Einsatz, deren Kern aus wärmeleitfähigem Metall wie Aluminium durch eine elektrisch dichte Sperrschicht von den Leiterbahnen aus Kupfer getrennt ist [1]. Bisher etabliert sind Aluminiumkerne, die sich im Sinne des Leichtbaus durch einen Austausch mit Magnesium noch einmal in ihrem Gewicht reduzieren lassen, was gerade für Anwendungen in Luft- und Raumfahrt von besonderem Interesse ist. Beiden Metallen ist gemeinsam, dass sie gegen Korrosion eine passivierende Schicht ausbilden, die durch verschiedene Verfahren wie Lackieren [2], Sol-Gel-Techniken [3], elektrische Abscheidung [4] oder Plasmaspritzen [5] noch verstärkt werden kann.
Aus der Reihe der elektrischen Abscheidungen stammt die Plasmachemische Oxidation (PCO), auch als Plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) bekannt [6]. Bei diesem Prozess werden durch Eintauchen in basische Medien und Anlegen einer Spannung von größer 200 V oxidisch-keramische Beschichtungen an Leichtmetallen wie Aluminium und Magnesium erzeugt. Durch die hohe Spannung entstehen Volumenentladungen durch die Oxidschicht hindurch und es kommt zu Einlagerungen aus der Elektrolytlösung in die Beschichtung. Diese besteht üblicherweise aus zwei Teilen; einer inneren, kompakten Schicht, die Korrosionsschutz und gute Haftung zum Substrat bietet, und einer äußeren, poröseren Schicht [7].
Korrosionsschutz ist eine Eigenschaft von vielen, die auch mit Sol-Gel-Verfahren erreicht werden können. Bei diesem Verfahren werden Netzwerke aus metalloxidischen Verbindungen aufgebaut, die auf Oberflächen mittels Tauchen, Rakeln oder Sprühen aufgebracht werden können. Je nach Wahl der Metalloxide und eventueller organischer Zusätze lassen sich die Eigenschaften der Schichten in einem sehr breiten Spektrum aufstellen [8].
Ein drittes Verfahren zur Oberflächenmodifizierung ist das Kaltplasmaspritzen. Hier werden einer Plasmaquelle Feststoffe zudosiert, die unter den Bedingungen im Plasma anschmelzen und mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche geschleudert werden. Dort erstarren sie dann und haften durch mechanische Verzahnung [9].
Die nachfolgenden Arbeiten beschäftigen sich mit einer Kombination der drei vorgestellten Verfahren, um eine Leiterplatte mit Magnesiumkern zu entwickeln. Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Schichtentwicklung, die Dichtheit gegenüber elektrischen Spannungen von mindestens 1000 V zwischen dem Metallkern und der Leiterbahn ermöglichen soll. Als zweiter Gesichtspunkt ist die Abscheidung einer geschlossenen Kupferschicht als Leiterbahn zu nennen.
Optimierung der PCO-Parameter
Als vielversprechendes Material für elektrisch dichte Sperrschichten wurde die Magnesiumlegierung ME100 mit ihrem hohen Ceranteil ausgewählt. Mit Platten von 50×50×1,5mm wurden zunächst chemische Vorbehandlungen wie Entfetten, Beizen und Dekapieren untersucht und optimiert. Als zielführend erwiesen sich die in Abb. 2 dargestellten Vorbehandlungsschritte: Für das Entfetten wurde das Optimum in einer zweiminütigen Ultraschallbehandlung bei 55 °C mit Decorrdal 20-7 gefunden, gefolgt von einem Spülgang mit destilliertem Wasser. Das Beizen erfolgt im Anschluss mit 5%iger Phosphorsäure für 30 s bei Raumtemperatur. Die Untersuchungen ergaben, dass auf das nachfolgende Dekapieren der verbliebenen Säure im Sinne der Wirtschaftlichkeit verzichtet werden kann und die Proben lediglich mit destilliertem Wasser gespült werden müssen (Abb. 2). Dies wurde durch einen Vergleich der Haftfestigkeit mit dem Tape-Test für dekapierte und nicht dekapierte Proben nach PCO-Beschichtung gezeigt. Nicht untersucht wurde, ob das Weglassen des Dekapierschritts auch Einfluss auf die Langzeitstabilität des Elektrolytbades hat.
Abb. 2: Erarbeitete Prozesskette für die chemische Vorbehandlung der Mg-Legierung ME 100
Die durch das Beizen erreichbaren Flächenrauwerte können durch die Beizdauer (vgl. Abb. 3 l.) variiert werden, sind jedoch nicht ausreichend, um die gewünschten Rauigkeitswerte von ca. 2-5 µm zu erzeugen. Daher wurden die Proben vor der chemischen Vorbehandlung einer mechanischen Vorbehandlung in einer Schleuderradstrahlanlage – ‚Twister', Bernstein Mechanische Fertigung (BMF) – unterzogen. Von den beiden untersuchten Strahlmitteln S09 und GM20 erwies sich S09 als geeignet, während GM20 aufgrund seiner abrasiven Wirkung nicht weiter verwendet wurde. Durch eine S09 Schleuderradstrahlbehandlung im Drehzahlbereich zwischen 4000 und 7000 Umin-1 und bei einer Behandlungsdauer von 5 min wurde der gewünschte Flächenrauwert von 2-5 µm erreicht (Abb. 3 r.). Dabei zeigen weder die Rotationsgeschwindigkeit der Probebleche, noch die Drehrichtung einen signifikanten Einfluss auf die Oberflächenrauheit.
Abb. 3: l.: Flächenrauwert (Sa) in Abhängigkeit der Beizdauer in 5%iger Phosphorsäure; r.: Substratoberfläche vor (l.) und nach (r.) dem Schleuderradstrahlen, beispielhaft für den Strahlmitteltyp S09
Mit dem Ziel, haftfeste Schichten mit einer Durchschlagsspannung von mindestens 1000 V zu erhalten, wurden die angerauten und gebeizten Proben dem PCO-Verfahren unterzogen. Bei dem PCO-Verfahren haben sowohl elektrische Parameter wie Stromdichte oder Pulsdauer und -form der Wechselspannung einen Einfluss auf die Beschichtung als auch die chemische Zusammensetzung und Temperatur des Elektrolytbades [10]. Begonnen wurden die Experimente zunächst im 5 l-Maßstab mit dem Elektrolytsystem PCO-13ws. Dafür wurde der Einfluss des Phosphatgehalts mit zwei unterschiedlichen Phosphatkonzentrationen (8,5 und 17,5 g/L KH2PO4 Elektrolyt) und der Einfluss des pH-Werts im Bereich von 9,4-10,4 untersucht. Es zeigte sich, dass eine hohe Phosphatkonzentration, folgend durch ‚HP' gekennzeichnet, für die Erzeugung von dicken Schichten entscheidend ist. Ebenso von Bedeutung ist die Beschichtungsspannung, deren Anstieg die Schichtdicke und die Rauheit steigert (Abb. 4 o.). Bei einer Phosphatkonzentration von 17,5 g/L KH2PO4 und einer Beschichtungsspannung von 375 V wurden bis zu 134 µm dicke Schichten mit einer Mittenrauheit von 8,1 µm erzeugt. Als Optimum für haftfeste Schichten wurden jedoch Schichtdicken von 60 bis 90 µm identifiziert. Bei Schichtdicken >90 µm kommt es aufgrund der für PCO-Schichten charakteristischen Porosität zum kohäsiven Versagen innerhalb der Schicht, während bei Schichtdicken <60µm die Durchschlagsspannung signifikant abnimmt (Abb. 4 u.l.).
Abb. 4 o.: Abhängigkeit der Schichtdicke (l.) und Mittenrauwerte (r.) von der Beschichtungsspannung; u.: Abhängigkeit der Durchschlagsspannung von der Schichtdicke (l.), mit PCO13ws HP beschichtete Magnesiumplatten (r.)
Die Schichtmorphologie, d. h. die Größe und Häufigkeit der Poren, kann durch die Pulsdauer bei konstanter Beschichtungsspannung untersucht werden. Mit sinkender Pulsdauer (0,5 ms) nimmt die Porengröße ab, jedoch ihre Häufigkeit zu (Abb. 5). Die entsprechenden Durchschlagsspannungen schwanken dabei nur um etwa 50 V und sind somit weitestgehend unabhängig von der Schichtmorphologie. Für den Pulsverlauf der Wechselspannung zeigte sich, dass Rechteckpulse mit Wechsel zwischen positiven Amplituden (unipolarer Verlauf) bessere Beschichtungsergebnisse lieferten als Rechteckpulse mit Wechsel zwischen negativen und positiven Amplituden (bipolarer Verlauf).
Die so optimierten Beschichtungsparameter konnten dann in die 200-Liter-Technikumsanlage übertragen werden und lieferten auch dort reproduzierbare Beschichtungsergebnisse. Trotzdem liegen die mit der PCO-Beschichtung erreichten Durchschlagsspannungen deutlich unter den angestrebten 1000 V. Da die Durchschlagsspannung eine materialspezifische Größe ist, die aber nur direkt proportional zur Wurzel der Schichtdicke ist, würden mindestens 500 µm PCO-Schicht für dieses Ziel benötigt [11]. Da bereits bei über 90 µm Brüche auftreten, müssen andere Materialien in die Beschichtung eingebracht werden, um die Durchschlagsspannung weiter zu erhöhen.
Abb. 5: Rasterelektronenmikroskopie (REM)-Aufnahmen der Oberflächenmorphologie von PCO13ws-HP-Schichten in Abhängigkeit der Pulsdauer (l.: 0,5 ms, r.: 2 ms)
Sol-Gel-Schichten
Dies geschieht durch das Aufbringen einer Sol-Gel-Deckschicht, die gleichzeitig auch in die Poren eindringt und sie verschließt. Von den untersuchten Systemen erwiesen sich SILRES MSE 100 (Wacker Chemie AG), versetzt mit 1% Ti(OBu)4, und DYNASYLAN SIVO 110 (Evonik Operations GmbH) als die Systeme, die Durchschlagsspannungen über 1000 V erreichten. Aufgrund der leichteren Handhabbarkeit und leicht besseren Durchschlagsspannung wurde für die weiteren Sol-Gel-Beschichtungsversuche SILRES MSE 100 verwendet. Der Auftrag der Sol-Gel-Schicht erfolgte dabei mittels Tauchziehen mit 10mm/min, gefolgt von einem Trocknungsschritt bei 200 °C. Mit höheren Tauchziehgeschwindigkeiten können prinzipiell größere Schichtdicken erreicht werden, die aber mit unregelmäßig beschichteten Substraten und Abplatzungen erkauft werden. Geringe Tauchziehgeschwindigkeiten führen aufgrund der geringen Schichtdicke zu Inseln um PCO-Beschichtungsspitzen. Diese Inseln können vermieden werden, wenn nach einer halbstündigen Trocknung bei Raumtemperatur ein zweiter Tauchziehvorgang stattfindet. Eine abschließende Trocknung bei 200 °C für eine Stunde verfestigt die Schicht. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Bedeckung der porösen PCO-Schicht mit der Sol-Gel-Beschichtung bei einer Schichtdicke von bis zu 20 µm bei einer Flächenrauheit von etwa 4 µm (Abb. 1, eingangs dieses Artikels). Die so erreichte Gesamtschichtdicke von 80-100 µm ergibt eine Durchschlagsspannung von 1000 V, was genügt, um Schaltungen auf der Oberfläche aufzubringen.
Cu-Kaltplasmaspritzen
Für solche Schaltungen sind Leiterbahnen mit einer Kupferschicht von etwa 30 µm Dicke nötig. Um diese abzuscheiden, wurde auf das Verfahren des Kupfer-Kaltplasmaspritzens zurückgegriffen. Gesteuert wird die Schichtdicke dabei maßgeblich über die Anzahl und Geschwindigkeit der Beschichtungsdurchläufe, die Plasmaleistung, den Spritzabstand, die Partikelgröße sowie die Dosierung des Pulvers. Für die Optimierung des Kaltplasmaspritzens mit Kupferpulver (Typ PlasmEck 1001; Eckart) und Argon als Prozessgas konnten in Abhängigkeit der Prozessführung Schichtdicken zwischen 20 und 80 µm erzeugt werden. Dabei traten bei dicken Kupferschichten von >80 µm Delaminationserscheinungen aufgrund der inneren Eigenspannungen auf. Prinzipiell zeigt sich, dass mit steigender Stromstärke die Schichtdicke ansteigt, die Mittenrauigkeit aber absinkt (Abb. 6 o.l.). Mit steigendem Spritzabstand hingegen sinkt die Schichtdicke und steigt die Mittenrauigkeit. Eine Erklärung ist, dass die Kupferpartikel im Plasma anschmelzen und auch angeschmolzen auf die Substratoberfläche treffen müssen, damit sie haften bleiben. Bei steigender Stromstärke steigt auch die Leistung und die Temperatur im Inneren des Plasmas, womit das Schmelzen der Partikel schneller voranschreitet. Ist die Leistung des Plasmas gering oder der Abstand vom Brenner zum Substrat zu groß, erstarren die Partikel teilweise wieder und bilden so eher raue Schichten aus, was auch in den REM-Aufnahmen deutlich wird (Abb. 6 u.). Hier ist ein Vergleich zweier Schichten zu sehen, die mit je 130 A (l.) und 250 A (r.) Stromstärke bei ansonsten konstanten Parametern gespritzt wurden. Die höhere Stromstärke zeigt dabei die deutlich kompaktere Schicht. Man würde erwarten, dass diese glatten Schichten den elektrischen Strom auch besser leiten. Untersuchungen zum spezifischen Widerstand der Kupferschicht ergaben, dass dieser mit sinkendem Brennerabstand und zunächst auch mit steigender Stromstärke absinkt (Abb. 6 o.r.), aber ab 180A wieder ansteigt. Der Grund liegt in Oxidationsprozessen der Kupferoberfläche mit Restsauerstoff im Prozessgas während des Plasmaspritzens. Diese Oxidationen finden bei den höheren Temperaturen der größeren Plasmaleistung schneller statt und die ausgebildete Oxidschicht bildet ein Dielektrikum innerhalb der Schicht. Daher steigt der spezifische Widerstand bei zu hoher Plasmaleistung wieder an. Ein möglichst geringer Flächenwiderstand wurde daher bei einer moderaten Stromstärke von 130 A, einem Spritzabstand von 55 mm und einer Pulverdosierung von 6 g/min erreicht. Diese Parameter ergeben eine durchschnittliche Schichtdicke von ca. 20 µm pro Durchlauf.
Abb. 6 o.l.: Abhängigkeit der Schichtdicke und der Rauheit von der Plasmastromstärke;
o.r.: Abhängigkeit des spezifischen Widerstands von der Plasmastromstärke;
u.: REM-Aufnahmen von Kupferbeschichtungen mit 130 A (li.) und 250 A (re.) gespritzt
Demonstrator
Der optimierte Plasmaspritzprozess wurde genutzt, um einfache Leiterbahnen auf 50 mm × 50 mm × 1,5 mm große PCO- und Sol-Gel-beschichtete Substrate aufzubringen. Die nicht-leitfähigen Bereiche wurden mit strukturierten Klebefolien maskiert und nach dem Entfernen der Maske in einem letzten Schritt mit zwei LEDs und einem Ohm’schen Widerstand komplettiert (Abb. 7). Um verschiedene Einsatzbedingungen zu simulieren, wurden die Demonstratoren bei verschiedenen konstanten Temperaturen zwischen -20 °C bis 120 °C über 500 h gelagert und funktionierten danach noch zuverlässig. Ein Temperaturschocktest zwischen -20 °C und +80 °C mit einer Haltezeit von jeweils 1 h führte hingegen zu Ausfällen nach spätestens 50 Zyklen, welche auf defekte Lötstellen zurückgeführt werden konnten.
Abb. 7 von l.o. nach r.u.: Erzeugung des Leiterbildes auf den Magnesiumkernen mit strukturierten Klebefolien; Proben beim Kaltplasmaspritzen; erzeugtes Leiterbild nach dem Entfernen der Maskierung; funktionsfähiger Demonstrator
Zusammenfassung
Die Entwicklung einer IMS-Leiterplatte mit Magnesiumkern wurde durch eine Kombination dreier Prozesse möglich: PCO-Verfahren, Sol-Gel-Beschichtung und Kupfer-Kaltplasmaspritzen. Das PCO-Verfahren wurde für die Magnesiumlegierung ME100 optimiert und stellte mit 60-90 µm dicken Beschichtungen und Durchschlagsspannungen von 350 bis 400 V die Grundlage für die Entwicklung. Um die elektrischen Eigenschaften weiter zu verbessern, wurde mit dem Sol-Gel-Verfahren eine insgesamt 80-100 µm dicke Beschichtung erzeugt, welche Durchschlagsspannungen bis zu 1000 V aufweist. Auf diese Kombinationsschicht wurde dann Kupfer per Kaltplasmaspritzen mit 20 µm Schichtdicke pro Lauf abgeschieden und an einem Demonstrator eine einfache Schaltung mit zwei LEDs verwirklicht. Erste Tests unter verschiedenen Lagertemperaturen zeigten dabei eine gewisse Robustheit des Systems, aber dennoch sind weiterführende Arbeiten nötig, um insbesondere auch die Wärmeableitung unter dem Einsatz von Hochleistungselektronik genauer untersuchen zu können.
Danksagung
Die Arbeiten wurden teilweise finanziert durch Mittel des Bundes, Förderkennzeichen 49MF210123. Die Autoren danken M. Schulz (INNOVENT Jena) für die Diskussionen bei der Erstellung des Manuskripts.
www.innovent-jena.de, www.eckart.net, www.bmfgmbh.de
Literaturverzeichnis
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