Beim HSMtec®-Verfahren werden 500 µm dicke Kupferelemente mit variablen Breiten von 2 bis 12 mm und individuellen Längen in die Innenlagen des Multilayers gelegt und in die Leiterplatte eingebettet. Durch die partielle Integration von Kupferprofilen in die Leiterplatte können Hochstrompfade – oder Wärmemanagement und Feinleiterlayout – einfach kombiniert und an die räumlichen Gegebenheiten angepasst werden. Da die Kupferprofile teilweise in die Leiterplatte integriert sind, können Last und Logik oder Leistungs- und Steuerelektronik auf einer Leiterplatte kombiniert werden.
Die Kupferelemente werden mit den geätzten Innen- und/oder Außenschichten mittels Ultraschallbondtechnik verbunden. Die integrierten Kupferelemente übertragen Ströme von bis zu 400 A und reduzieren zudem die Wärmeentwicklung schnell auf zulässige Teil- und Systemtemperaturen. Dies ermöglicht eine einfache Integration in einen Standard-Multilayer-Fertigungsprozess mit anschließendem Verpressen der einzelnen Schichten. Durch eine Vielzahl von Ausführungsvarianten lassen sich hohe Ströme und Verlustleistungen von Bauteilen gezielt in Leiterplatten einspeisen – ohne weitere externe Arbeitsschritte.
Leistungskomponenten und Steuerelektronik auf einer Platine
Die HSMtec®-Leiterplattentechnologie vereint Last und Logik auf einer Baugruppe bei minimaler Leiterplattenfläche. Damit lassen sich die elektrischen Spezifikationen für Spannungsfestigkeit und Isolationsklassen in der Automatisierung ebenso erfüllen wie anspruchsvolle Temperaturbedingungen bei begrenztem Bauraum in der Automobilelektronik.
Ein Blick auf die spezifische Wärmeleitfähigkeit zeigt die Bedeutung des durchgängigen metallischen Pfades von der Quelle zur Senke und das Potenzial von HSMtec®. Kupfer leitet die Wärme 1000-mal besser als FR4. Die intelligente Kombination von integrierten Kupferprofilen mit Thermovias ermöglicht es, die Leistungskomponenten direkt mit den Kupferprofilen zu verbinden und Engpässe im Wärmepfad zu vermeiden.
Ein thermisch optimierter Schichtaufbau sorgt zudem für eine schnelle Wärmeausbreitung und unterstützt das gesamte thermische Konzept. Ein praktisches Beispiel zeigt dies deutlich: Die Strombelastbarkeit einer Leiterbahn kann sich verdoppeln, wenn sich darunter zwei innere Masseschichten befinden, die keine Eigenerwärmung haben. Ein weiteres Beispiel zeigt das Potenzial von Thermovias: Auf einer Fläche von 10 mm x 10 mm können mehr als 400 durchkontaktierte Löcher mit einem Durchmesser von 0,25 mm platziert werden, so dass die Fläche dann zu 10 % aus Kupfer besteht.
Die effektive Wärmeleitfähigkeit einer solchen FR4-Oberfläche erhöht sich durch diese konstruktive Maßnahme auf 30 W/m-K. Damit ist diese Konstruktion hundertmal wärmeleitfähiger als FR4 und sogar zehnmal leitfähiger als die besten Wärmeleitsubstrate. HSMtec® wurde von unabhängigen Prüfinstituten qualifiziert und verwendet Standard-FR4-Material. Außerdem wird er im Standard-Fertigungsverfahren hergestellt und kann im üblichen Montage- und Lötprozess weiterverarbeitet werden.
Die Anschlusstechnik: hochstromoptimiert und kompakt
Die Leiterplatten-Anschlusskomponenten aus dem Omnimate-Power-Programm von Weidmüller ergänzen die HSMtec®-Leiterplatte. Die für Servoregler und Frequenzumrichter konzipierten Leiterplattenklemmen sind im Raster bis 15 mm und einem Leistungsbereich bis 150 A/1000 V (IEC) bzw. 127 A/600 V (UL) sowie in verschiedenen Kontaktarten erhältlich. HSMtec®-Leiterplatten werden auch mit Schraub- und Druckkontakten speziell für IGBTs, Einpresskontakten unter Einhaltung der erforderlichen Einpresstoleranzen und mit Lötkontakten für die Durchstecktechnik (THT) oder mit reflowfähigen Bauteilen für automatisierte SMT-Prozesse kontaktiert.
