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Why the need for a thermally conductive dielectric?

by Gareth Parry, P.Eng

AISMALIBAR

Thermally conductive dielectrics used in the PCB substrate have been steadily growing in demand and application, with a surge following the development of LED lighting.

Many thermally conductive dielectrics are similar to the standard FR-4 dielectrics used in the PCB industry: epoxy (or polyimide) reinforced with woven glass with the addition of a conductive ller. The type, size, geometry, and concentration of the ller dictate the thermal/ mechanical properties of the dielectric. Typical conductivity values are 1.0–3.2 W/mK. In comparison, standard FR-4 has a thermal conductivity of 0.3W/mK, and copper is 398 W/mK.

Why the need for a thermally conductive dielectric?

The simple answer is thermal management of the system. Components mounted to the PCB or IMS need power to operate and the bi-product is thermal energy. Current running through a copper conductor will generate heat due the resistance of the copper. The greater the resistance, the more thermal energy that must be dissipated. As the temperature of the conductor increases, so does the resistance. In an uncontrolled design, one can experience a runaway condition where the increase in temperature drives an increase in resistance which drives an increase in temperature and so on, eventually destroying the circuit. In most situations this is not the case, but for high-power applications, and high-speed signals, thermal management is a real concern.

It is true that LEDs generally do not produce much heat, and are cool to the touch. Then why the exponential growth in demand for thermally conductive dielectrics? To put it in perspective, the energy consumed by a 100-watt incandescent bulb produces around 12% heat, 83% IR and only 5% visible light. The typical low watt LED might produce15% visible light and 85% heat[1]. But with high power LEDs (>1 watt), it is essential to remove the heat through ef cient thermal management. Without good heat sinking, the internal temperature of the LED rises, and this will cause the LED characteristics to change.

As the junction temperature of an LED increases, the lumen (brightness) output decreases. The output wavelength also shifts with a change in junction temperature. The optimum way to address this heat passively is by using materials with a high thermal conductivity to move heat away from the junction as quickly as possible. The dielectric should have high thermal conductivity both laterally (x and y directions) as well as vertically through the base of the device.

The circuitry routing for most LEDs is very simple, requiring only one layer of traces. A single-sided IMS would incorporate a thin thermally conductive dielectric sandwiched between a copper foil and aluminum heatsink. The dielectric helps to conduct the thermal energy away from the copper circuit to the aluminum heatsink where the energy is dissipated through convection to the air, or by conduction via a mechanical mounting system. More complex designs will have multiple layers of copper circuitry mounted to a heatsink. Components can be mounted on both sides by routing the aluminum prior to lamination. Very rarely will the aluminum heatsink be used as an electrical ground for the circuit. If electrical contact to the aluminum is a requirement for the design, it is a complex process to manufacture a plated via with connection to the aluminum. The aluminum interacts negatively to the electroless copper bath, and although feasible, few PCB shops offer the process. The easier approach is to use a copper heatsink versus aluminum.

Copper is an exceptional thermal conductor (~400W/mK), but cost and weight considerations drive aluminum to be the preferred heatsink for most applications.

As discussed earlier, aluminum reacts negatively to electroless copper. This is also true with some surface nishes, for example, electroless nickel/immersion gold (ENIG).

There is an adverse reaction if the immersion gold bath is exposed to the aluminum. The work-around is to mask the exposed aluminum with a photo polymer and/or tape. Most fabricators do not want to take the risk of a scratch or pinhole in the protective material, and will avoid offering ENIG or ENEPIG as a viable surface nish for IMS product. Lead-free hot air leveling (HAL) is the most common nish, but the designer needs to verify their nish of choice with the fab house to be safe.

The thermal conductivity of most laminates is reported as the thermal conductivity of the standalone dielectric. Some specification sheets report the thermal conductivity of the laminate (copper + dielectric + aluminum). This can be misleading. As an overall performance measure of the system, the designer may want to focus on the thermal impedance vs thermal conductivity. The thermal impedance (or thermal resistance) is the inverse of the thermal conductivity times the material thickness. Thus, the thinner the dielectric, the lower the thermal impedance. For the total system, or at a particular joint, the thermal impedance can be calculated (see equation 1).

One can see that the benefit from going from a 5-mil dielectric with 3.2 W/mK thermal conductivity, to a 1.5-mil dielectric with a thermal conductivity of 2 W/mK will have a 2x improvement in thermal impedance of the dielectric. The thinner the dielectric, the lower the thermal impedance. Dielectric withstanding voltage becomes a greater consideration as designs specify thinner dielectrics. To ensure quality and reliability, it is recommended that IMS laminate be 100% high pot tested by the laminate manufacturer prior to shipping. This will ensure there are no pinholes or foreign material in the thin laminate that could cause a high pot failure.

Traditionally, thermally conductive dielectrics have been used in PCB designs demanding high current loads. Motor controls, power supplies, AC/DC converters and solid-state relays were the major industry applications. As discussed, the LED industry has been the driving factor for the growth experienced over the last 10 years.

Recently, we have seen a growing interest for thermally conductive dielectric solutions in full build multilayer PCBs. The thermal energy output of components can be more effectively managed within the PCB versus use of expensive fans, heat pipes and liquid immersion cooling. In partnership with Advanced Micro Devices Graphic Card Division, Lazer-Tech PCB and Cartel Electronics, 6-layer and 12-lay- er, HDI, impedance-controlled PCBs were built using 2.2 W/mK and 3.2 W/mK thermally conductive dielectric systems throughout the stack. A 16% reduction in the thermal resistance was realized with the PCBs made with the thermally conductive dielectric as compared to the PCBs made with FR-4. This improvement in thermal impedance allows tremendous opportunities in cost savings long term.

Much more work is needed to fully appreciate the benefits of these materials in full build complex PCBs. As technologies continue to evolve the need for thermal management solutions in PCB design are only going to increase. PCB

Reference

1. Fact or Fiction: LEDs don’t produce heat, Tim Whitaker, LEDs Magazine.

 

 

 

by Gareth Parry, P.Eng

Aismalibar at Productronica

About Aismalibar

AISMALIBAR was one of the first IMS laminate manufacturers in the world and was the first in Europe.

AISMALIBAR product IMS Cobritherm ® is a qualified and recognized Insulated Metal Substrate which gives the best thermal management solutions with high thermal conductivity, low thermal impedance and high dielectric capacity.

AISMALIBAR has implement a 100% proof test with 1-3KV (High Pot Test) to all IMS laminates coming out of their plant. This is the only way to insure the dialectical strength is perfect and that production problems are detected before PCBs arrive to the end user.

Aismalibar has a wide range of products including double sided, multilayer and a conformable material called Flextherm.  Our standard materials can help you come in on budget while our high end materials can give you the extra life and thermal performance you need in your high end LED applications

Aismalibar aumenta capacidad de producción de laminados Fastherm

AISMALIBAR se complace en anunciar que han aumentado significativamente su capacidad de producción para su línea de laminados FASTHERM. En 2016, AISMALIBAR registró un aumento significativo en la demanda de FASTHERM, impulsada principalmente por el sector de la iluminación automotriz.

FASTHERM fue desarrollado por AISMALIBAR para lograr una transición térmica más rápida de la almohadilla térmica del LED al disipador de calor. Esta transición térmica superior puede lograrse utilizando toda la gama de productos COBRITHERM HTC con una base de cobre o cobre / aluminio. Mediante el uso de la gama AISMALIBAR COBRITHERM HTC junto con la tecnología FASTHERM, los LEDs funcionan a una temperatura de 30ºC a 50ºC inferior debido a la transición térmica directa de la almohadilla térmica al disipador de calor.

Jeff Brandman, Presidente de Aismalibar Norteamérica, añade: “A medida que aumenta la demanda de productos de gestión térmica, AISMALIBAR continúa aumentando nuestra oferta de productos y capacidad de producción. FASTHERM complementa nuestra línea de productos COBRITHERM HTC y permite a los fabricantes bajar significativamente las temperaturas de funcionamiento de los productos de vanguardia”.

No todos los fabricantes de laminados trabajan igual

¿Qué medidas toma su fabricante de materiales de IMS para ahorrar dinero y prevenir fallos prematuros?

Aismalibar ofrece ahorros significativos al tomar medidas adicionales para garantizar una calidad consistente en nuestro material. Estas medidas preventivas proporcionan tranquilidad de que sus productos térmicos tendrán una vida útil prolongada.

Nuestra facilidad totalmente automatizada nos permite producir grandes volúmenes de productos superiores de una manera rentable y pasar los ahorros a nuestros clientes.

Aismalibar es únicamente un fabricante de laminados y no compite con los fabricantes de PCB.

Nos centramos en gran medida en el servicio al cliente y soporte técnico. Este servicio de valor agregado permite a nuestros clientes eliminar la chatarra y mejorar sus diseños.

¿Durante cuánto tiempo ha producido su material el material IMS (Insulated Metal Substrato)?

Aismalibar es uno de los primeros fabricantes de IMS en el mundo.

Con cerca de 20 años de experiencia en la producción de materiales IMS, Aismalibar se complace en ofrecer su material líder en la industria para todas sus aplicaciones

¿Qué pruebas se realizan para garantizar el material contra fallas?

Los años de experiencia de Aismalibar nos permiten ofrecer el material más rigurosamente probado en el mercado hoy, con el 100% de nuestro material pasando por nuestra prueba de prueba (highpot test) antes de salir de nuestras instalaciones en Barcelona España.

Los estrictos controles del proceso en cada paso de nuestra práctica de fabricación con equipos y instalaciones totalmente automatizados de última generación nos permiten producir materiales de clase mundial con un precio económico y reconocidos por los líderes mundiales.

Acreditación y Certificados

Aismalibar es el líder europeo en la producción de laminados IMS y es UL, sin plomo, aprobado por CE y conforme a RoHS.

Aismalibar fue elegido como el material base para el bulbo doméstico de 60 vatios en el proyecto europeo CSSL de la lámpara LED de LED dirigido por Philips.

Aismalibar es un miembro de la tarea de IPC -2152 PC 2152 – Estándar para determinar la capacidad de carga actual en el diseño de la tarjeta impresa.

Aismalibar es un miembro de la tarea de IPC-6012D MBB Addendum – placas de metal impresas Junta Adición al IPC-6012D.

Aismalibar da la bienvenida a la oportunidad de revisar su requisito técnico para encontrar la solución más rentable al especificar su material IMS.

Aismalibar Management Team visit Sunway

El equipo directivo de Aismalibar viaja a CHINA para visitar Sunway con el fin de consolidar una relación a largo plazo. El Sr. José María Serrat, gerente de ventas de Aismalibar, declaró que los productores de PCB de China están muy interesados ​​en la tecnología que los laminados de Aismalibar pueden ofrecer. Esto se debe a los altos requisitos que tienen los grandes fabricantes de equipos originales en los mercados de la UE y los EE.UU.

Aismalibar tiene más de 60 años de experiencia cooperando con OEMs de la UE y de los Estados Unidos y tiene una gran experiencia en sus necesidades y modos de operación, lo que es muy atractivo para los productores de PCBs tanto en el mercado internacional como, concretamente, en China.

 

AISMALIBAR está presente en la European Coatings Show de Nuremberg

Del 4 al 6 de abril de 2017 se celebró en Nuremberg la European Coatings Show, la feria internacional líder para la industria de pinturas y recubrimientos. Con un total de 1.135 expositores, el número de empresas que participan en el evento más importante del mundo de la industria de los revestimientos

El equipo de  I+ D de Aismalibar ha viajado a Nuremberg con el fin de estrechar relaciones con los proveedores de planta, compartir tecnología y experiencia y buscar nuevos retos técnicos.

Según declara Vicenç Muns, director I+D Aismalibar, “la feria es de gran interés para nosotros y de ella sacamos siempre cosas muy positivas. Podemos reunirnos con los responsables de desarrollo de nuestros proveedores y compartir experiencias es siempre enriquecedor para ambas partes.”

                                                                                                                                    Nuestro equipo en Nuremberg

BEST METHOD FOR DETERMINATION OF THERMAL RESISTANCE OVER HIGH THERMAL CONDUCTIVE

The experimental techniques for thermal characterization of high thermal conductivity dielectrics have developed along last years. Different test methods were standardized for international recognized entities such as ASTM.

EXPERIMENTAL TECNIQUES

The experimental techniques for thermal characterization of high thermal conductivity dielectric can be classified as follows:

a) steady-state techniques allowing direct evaluation of thermal conductivity (D5470),

b) pulsed time domain methods, which deduce the diffusivity from the time required for heat pulse to propagate through a section of the sample (E1461).

c) thermal wave methods

METHOD DESCRIPTION

D5470: This state technique is based on heat conduction between two parallel, isothermal surfaces separated by a test specimen of uniform thickness. The thermal gradient imposed on the specimen causes the heat flow. Apparent thermal conductivity is directly obtained from this data and the thickness of the specimen. Fig 1

E1461: A small, disc specimen is subjected to a high intensity duration radiant energy. The energy of the pulse is absorbed on the front surface of the specimen and the resulting rear face temperature rise (thermal curve) is recorded. The thermal diffusivity value is calculated from the specimen thickness and the time required for the rear face temperature rise to reach a percentage of its maximum value. Fig 2

GENERAL CONSIDERATIONS

Thin-film geometry, microcrystalline or amorphous structure of thin films, and the large number of potential defects due to the microfabrication process lead to inhomogeneity and anisotropic physical properties. As a result, thermal properties of materials in thin-film form differ strongly for those bulk materials. Time scale techniques are influenced due to the thermal transport properties are geometry and homogeneity strongly dependent.

Steady state measurements like D5470, usually yield the highest level of accuracy, on the order +/-5-10%, meanwhile time domain techniques such as E1461, the relative uncertainties are on the order of 15-20%, and at time even larger errors.

Thermal conductivity is a thermal dependent parameter. It is important to consider this dependency because of E1461 method is based on 1-6mm thickness samples measured at 400-600ºC.

 

 

 

 

AISMALIBAR Norte América estará presente en Strategies In Light del 28 de febrero al 2 de marzo de 2017 en Anaheim, CA

Febrero 2017.- AIMALIBAR se complace en anunciar su presencia en la feria Strategies in Light en Anaheim, CA el 28 de febrero al 2 de marzo. Strategies in Light es el evento líder de LED e iluminación en América del Norte y lleva más de 15 años ediciones. Aismalibar estará en el stand 422 e invita a todos a venir a ver sus soluciones de gestión termal de vanguardia.

Aismalibar mostrará su más avanzada tecnología de sustrato de metal aislado – Cobritherm Ultra-Thin. Aismalibar ha desarrollado Ultra-Thin con un grosor de la capa dieléctrica de sólo 35 micras que proporciona un mayor rendimiento térmico y excelentes temperaturas de trabajo. Este producto es muy adecuado para aplicaciones LED de gama alta.

Además, Aismalibar presentará FASTHERM. Este producto se utiliza para lograr una transición térmica más rápida de la almohadilla térmica del LED al disipador de calor. Esta tecnología permite que los LEDs funcionen a una temperatura de 30°C a 50°C más baja debido a la transición térmica directa de la almohadilla térmica al disipador de calor. Esta transición térmica superior puede lograrse utilizando toda la gama de productos COBRITHERM HTC con una base de cobre o cobre y aluminio.

Aismalibar aumenta su capacidad de producción de los laminados IMS Flextherm Conformable

Febrero de 2017 – AISMALIBAR se complace en anunciar que ha aumentado significativamente su capacidad de producción para su línea de laminados conformes IMS de Flextherm. En 2016, Aismalibar experimentó un aumento significativo en la demanda de Flextherm, impulsada principalmente por el sector de la iluminación automotriz. La naturaleza conformable de este producto lo hace ideal para diseños de iluminación cada vez más complejos. Flextherm ofrece a los ingenieros la libertad de usar LEDs de alta potencia en lugares cerrados con la confianza de que su disipación de calor superior garantizará la integridad de sus productos.

Jeff Brandman, presidente de Aismalibar Norte América, añade que “los diseños 3D con sustratos de metal aislados flexibles están a la vanguardia de la tecnología. Muchos OEM / CMs líderes están actualmente utilizando las capacidades de Flextherm para cumplir con sus objetivos de gestión térmica. Este producto ya se puede encontrar en los sistemas de iluminación de los principales fabricantes de automóviles como Ford, BMW, Audi y Mercedes. Estamos muy contentos de seguir trabajando estrechamente con ingenieros de diseño para desarrollar aún más sus productos”.

Flextherm es ideal para la fabricación de placas de circuito impresas de metal conformable. Puede doblarse después de la producción manteniendo al mismo tiempo la resistencia dieléctrica inicial entre sus capas conductoras (Al y Cu). Las propiedades flexibles de este material le permiten adaptarse tanto al radio positivo como al negativo, lo que permite al producto adaptarse a las demandas de los diseños MPCB cada vez más complejos.

Descubre los nuevos vehículos con materiales de Aismalibar en el North American International Auto Show de Detroit.

Enero de 2017 – AISMALIBAR le invita a conocer los nuevos modelos de vehículos en el Salón Internacional del Automóvil de América del  Norte (North American International Auto Show) que utilizan Cobritherm Ultra-Thin y Flextherm Insulated Metal Substrates en sus sistemas de iluminación. Algunos de los vehículos en exhibición con nuestros productos de Aismalibar son Mercedes-Benz Clase C, Ford Edge, BMW 6 y 7 Series, Audi Q3 y Q5 y ​​VW Touran. El North American International Auto Show se celebra en Detroit, Michigan, del 8 al 22 de enero de 2017.

Jeff Brandman, Presidente de Norteamérica añade: “Estamos muy contentos de ver los productos más nuevos de Aismalibar en exhibición como parte de los sistemas de iluminación automotriz de vanguardia de algunos de los principales fabricantes en el mundo. El North American International Auto Show en Detroit es el evento más importante para la industria automotriz y estamos orgullosos de ver nuestros productos llegar al piso a nivel de consumidor”.

Nuestro material Cobritherm Ultra-Thin tiene una innovadora capa dieléctrica Ultra-Thin que proporciona un mayor rendimiento térmico y una excelente temperatura de trabajo. Con un espesor de sólo 35 micras, este nuevo producto reduce la resistencia térmica hasta 0,10 Kcm / W (0,17 Kinch / W), que ofrece excelentes condiciones de disipación térmica para el montaje de LED de alta potencia.

Por su parte, Flextherm es ideal para la fabricación de placas de circuito impresas de metal conformable. Puede doblarse después de la producción manteniendo al mismo tiempo la resistencia dieléctrica inicial entre sus capas conductoras (Al y Cu). Las propiedades flexibles de este material le permiten adaptarse tanto a los radios positivos como negativos, permitiendo al producto adaptarse a las demandas de diseños MPCB cada vez más complejos.

Toda la gama de Cobritherm ha pasado al 100% todas las pruebas de control. AISMALIBAR prueba el aislamiento entre las capas de cobre y aluminio bajo alta tensión. Cobritherm Ultra-Thin 35 Microns supera las pruebas hi-pot a una potencia de 1000 VDC

Cobritherm ha sido aprobado por los principales fabricantes de equipos originales de todo el mundo con un enfoque en las industrias automotriz, de iluminación y electrónica de potencia. Ha recogido excelentes resultados en las pruebas de resistencia y tiene el reconocimiento UL como uno de los mejores sustratos de metal aislados después de 60.000 horas.