Leiterplatten für hohe Stromdichten und effizientes Wärmemanagement (1)

Dickkupfer, Iceberg® und HSMtec® sind drei verschiedene Technologien für Hochstromleiterplatten. Der Beitrag stellt die drei Technologien gegenüber und erklärt die gestalterischen Möglichkeiten, die Stromtragfähigkeit und Entwärmung der Leistungshalbleiter.

Die Motorsteuerung passt Drehzahl, Leistung und Drehmoment auf Bedarf und Betriebsbedingung an und spielt eine Hauptrolle für die Energieeffizienz von Industriemotoren und Fahrzeugen. Rund 30 Motoren stecken allein in einem Fahrzeug z.B. für Gebläse, Motorkühlung, Wasser- und Ölpumpe, Fensterheber, Front- und Heckscheibenwischer.

Hardwareseitig fordern die Nutzer und Systemhersteller Innovation bei den Bauteilen zur Signalerfassung, Signalumsetzung und Signalkonditionierung. Auch die Produzenten der Leiterplatten und Anschlusstechnik haben sich auf diesen Markt eingestellt: Fertigungsprozesse, Materialien und Designs sind für die speziellen Anforderungen von Strombelastbarkeit, Wärmemanagement und Zuverlässigkeit optimiert.

Aus Sicht der Leiterplatte lassen sich die Vorgaben der Antriebselektronik in fünf Punkten zusammenfassen:
1. hohe Integrationsdichte,
2. Zuverlässigkeit der elektronischen Baugruppe,
3. schnelle Wärmeableitung,
4. hohe Ströme kombiniert mit Steuerelektronik,
5. Systemkosten senken, z.B. durch den Umstieg auf SMD-Bauteile, weniger Komponenten bzw. Montageprozesse.

Eine smarte Lösung ist es, die Anforderungen für Leistungsteil und Steuerelektronik, Lastkreise und Ansteuerung anstatt auf zwei Leiterplatten auf einer Leiterplatte zu kombinieren – große Leiterquerschnitte und große Isolationsabstände für die Hochstromleiter und Feinleiterstrukturen für die Ansteuerung. Damit entfallen Steckverbindungen, Kabel und Stromschienen, Montageschritte und Risiken, die die Zuverlässigkeit einschränken. Das wiederum spart Platz, erhöht die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit.

Die optimale Leiterplattenkonstruktion für Leistungselektronik bzw. Hochstromanwendungen bestimmen fünf wesentliche Aspekte:

1. das Wissen, um die technischen Möglichkeiten des Verfahrens, das spezielle Designregeln vorgibt.

2. die Dimensionierung der Hochstromleiter und Isolationsabstände.

3. die Auswahl, Kombination und maximale Auslastung der Materialien.

4. der Lagenaufbau, der mitentscheidend ist für die Stromtragfähigkeit und Entwärmung.

5. ein thermisch optimiertes Leiterplattendesign.

Der Leiterplattenspezialist KSG bietet drei Technologien an, die bei diesen Anwendungen zum Einsatz kommen: Dickkupfertechnik, Iceberg®- und HSMtec®-Technologie. In allen drei Anwendungen kann das Standardbasismaterial FR4 eingesetzt werden.

Dickkupferleiterplatten verteilen die Verlustleistungen horizontal

Von Dickkupfer spricht die Leiterplattenindustrie in der Regel bei Kupferaufbauten von größer 105 µm. Mit bis zu vier Innenlagen mit jeweils 400 µm Kupfer ist eine Stromtragfähigkeit von mehreren hundert Ampere möglich. Im Idealfall befinden sich die Dickkupferleiter in den Innenlagen.

Für die Dickkupfer-Leiterplatte sprechen Flexibilität bei Änderungen im Layout, die kompakte Bauform, einfache Verarbeitung/Montage und vergleichbar geringe Änderungskosten sowie die Standardprozesse der Leiterplattenindustrie. Durch die starke Unterätzung lassen sich nur relativ grobe Strukturen erzeugen.

Wichtig zu wissen: FR4-Laminate mit einer Basiskupferkaschierung >105 µm sind bedingt durch den hohen Kupferanteil nicht preiswert. Im Vergleich mit einem 18 µm beidseitig kaschierten Standardlaminat bewegt sich der Faktor bei etwa 1:8 bis 1:10 bezüglich Materialkosten.21

 

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