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Leiterplatten | 29 Mai 2009

Leitpolymere ermöglichen gedruckte Impulswiderstände in allen Spannungsbereichen

Würth Elektronik konnte erstmals praxistauglich ein Hochspannungs-Sicherheitsteil bis 200.000 Volt mittels Polymerdickschichttechnik in die Leiterplatte integrieren.
Möglich machten dies die Würth-eigenen “smart conductive“-Polymer-Dickschichtsysteme, die sich unter anderem durch eine große Variabilität von Widerständen auszeichnen und selbst extrem hohen Feldstärken in der Praxis standhalten. Die gedruckten Widerstände sind den konventionell bestückten Bauteilen, zumal den verdrahteten Varianten, denn auch in allen wichtigen Belangen überlegen und öffnen dadurch neue Anwendungsbereiche. Sie ersetzen teure Keramikwiderstände und liefern robustere und vielfach günstigere Lösungen.


Trocknungsprozess: Hier fährt die Leiterplatte in den Trocknungs- oder Einbrennprozess ein, um die Paste auszuhärten. / Siebdruck: Die "smart conductive"-Polymerpaste wird über ein Siebdruck-Verfahren aufgebracht, wodurch sich passive Bauelemente auf die Leiterplatte aufdrucken und Sensoren in die Leiterplatte integrieren lassen.

Das Erfolgsprinzip der gedruckten Impulswiderstände besteht darin, dass sie kurzzeitig im Millisekundenbereich sehr hohe kW-Leistungen aufnehmen und dadurch teure Keramikwiderstände ersetzen können. Gegenüber den herkömmlichen bestückten Widerständen liegen die primären Vorteile dieser gedruckten Impulswiderstände in der hohen Integrationsfähigkeit der Bauteile und in der damit verbundenen Volumenreduzierung, was sie robuster und günstiger macht.

Konventionell bestückte Bauteile sind zudem in vielen Fällen nur als bedrahtete Version zu erhalten, was eine aufwändige Bestückung erforderlich macht und unsichere Lötverbindungen nach sich zieht. Da die Impulswiderstände als bedrahtete Bauteile auch wesentlich größer sind als Standardwiderstände, benötigen sie viel Platz und vermehrten Fertigungsaufwand, verschlingen höhere Beschaffungs- und Lagerkosten und bergen Fehlerrisiken an den Lötstellen der bedrahteten Bauteile.

Die gedruckten Impulswiderstände überwinden diese Handicaps. Sie lassen sich sogar auf den Innenlagen eines Multilayers platzieren und verbrauchen so keinen wertvollen Bestückungsplatz auf den Außenlagen. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Zuverlässigkeit bei thermischer Wechselbelastung, die in Temperaturwechseltests (-40 °C / +125 °C) bis 3.000 Zyklen nachgewiesen wurde. Konventionelle Lötstellen versagen unter diesen Bedingungen wesentlich früher. Da gedruckte Widerstände aber keine Lötstellen haben, gibt es an dieser Stelle auch keine Lötfehler.


Impulswiderstand: Gedruckte Impulswiderstände auf Basis der „smart conductive“-Polymer-Paste; funkenlöschend für den Einsatz in Kommutatoren (DC-Motor).

Standardwiderstände für pull up/-down-Anwendungen können ohne Laserabgleich mit einer Toleranz von ± 30 % gefertigt werden. Für höherwertige Anwendungen kann die Toleranz mit Hilfe des Laserabgleichs der Widerstände auf ± 5 % über die Gesamtlebensdauer eingeschränkt werden; sogar unter extremen klimatischen Bedingungen (40°C / 92 % rel. Feuchte / 1000 h).

Durch polymere Dickschichtsysteme wie denen von Würth Elektronik mit einem nicht linearen positiven Temperaturkoeffizienten lassen sich zudem Heizflächen realisieren, die durch die Widerstandscharakteristik selbstregelnd sind. Dadurch können nahezu konstante Temperaturen bis zu 60°C erzeugt werden.

Würthscher Lösungsweg per Rechenmodell und Design-Rules
„Alle Impulswiderstände, die wir mit unserem geheimen Inhouse-Rechenmodell bis jetzt berechneten, funktionierten problemlos“, sagt Frank Dietrich, Leiter FLATcomp Systeme bei Würth Elektronik. "Der Weg zu der komfortablen und erfolgversprechenden Lösung war logisch. Normale Leistungswiderstände werden heiß und benötigen große Kühlflächen. Bei 10 Watt Leistung ist hier ein Kühlkörper in der Größenordnung von 10 x 5 cm notwendig. Bei Leistungswiderständen, die beispielsweise 25 kW zwei Millisekunden lang aushalten müssen, würde ein Aluminium-Kühlkörper nun aber nichts nützen. Muss er auch nicht, weil diese hohe Leistung in der kurzen Zeit nicht viel Energie bedeutet. Das macht die Sache einfach. Eine besondere Herausforderung ist es, die Theorie in die passende Mathematik umzusetzen und zu verstehen, was in der Praxis eine Leistung von 25 kW für zwei Millisekunden für die Dickschicht tatsächlich bedeutet", erklärte er weiter.


Impulswiderstand: Die Polymerpasten-Technologie funktioniert auch in Verbindung mit starr-flex Technologie: "Erdungskabel" mit gedruckten Impulswiderständen im MOhm-Bereich.

Hierfür hat Würth Elektronik ein Rechenmodell entwickelt und erkannt, dass sich das eigene impulsfeste Leitpolymer hervorragend für diese speziellen Anforderungen eignet. Das multifunktionale Dickschichtsystem absorbiert die elektrische Energie und wandelt sie in Wärme um. „Vereinfacht dargestellt rechnen wir aus, dass die Menge, die wir da zu erwärmen haben, so groß ist, dass sie 170 Grad nicht überschreitet“, erläutert Frank Dietrich. In der praktischen Umsetzung liefert der Kunde an Würth Elektronik die Daten, dieser gibt sie in sein Rechenmodell ein und ermittelt Länge, Breite und Dicke des Impulswiderstandes.

Zur Mathematik muss aber auch noch die Verfahrenstechnik für die Dickschichttechnologie hinzukommen, damit der gleichwohl richtig berechnete Widerstand nicht doch noch am Ende durchbrennt. Denn ein dermaßen hoher Impuls, der durch die Dickschicht durchgeht, kann an inhomogenen Stellen sog. Hot Spots, also heiße Flächen, erzeugen und aufgrund kleinster Inhomogenitäten durchbrennen.

Schlussendlich war noch zu bedenken, dass hohe Energien meistens auch hohe Spannungen bedeuten. Diese können unterschiedlichste Gründe haben. Einer dieser Gründe sind die Störungen aus dem Netz, als Surge- oder Burst-Impulse bekannt, die die Elektronik zerstören. Die Impulswiderstände von Würth Elektronik verhindern dies, indem sie die Energien absorbieren, und ersetzen dadurch im Endeffekt Varistoren und andere teure Halbleiterelemente.

In allen Spannungsbereichen erfolgreiche Tests beim Kunden absolviert
Die auf Basis der Würthschen Polymerdickschicht realisierten gedruckten Impulswiderstände bewährten sich bereits in allen drei Spannungsbereichen bei Kundenanwendungen – also in der Niederspannung, der normalen Spannung und der Hochspannung.

Im Niederspannungs-Fall wurde ein Impulswiderstand in einem Motorkommutator integriert, dessen Aufgabe die Funkenlöschung ist. Und zwar in einer Größenordnung von 120 Volt; während die normalen Spannungen in dem System nur 5 Volt sind. Einen herkömmlichen Impulswiderstand, der auf Keramik aufgebracht ist, hätte der Kunde in dieser Einheit nicht verwenden können und insgesamt wesentlich teurer mit mehr Platzaufwand realisieren müssen. Die Lösung von Würth Elektronik hat die ersten Tests beim Kunden bereits bestanden; ca. 800.000 integrierte Impulswiderstände sind bereits im Feldeinsatz.


Impulswiderstand: Auf die Innenlage einer Leiterplatte gedruckte Impulswiderstände; 10 Ohm mit 25 kWatt bei zwei mSekunden.

Im Falle des Beispiels Peaks aus dem Netz, also Störimpulse aus dem Netz, ist der Impulswiderstand etwas kräftiger. Der Impulswiderstand mit 25 kW liefert dem Kunden eine sehr kostengünstige und zuverlässige Lösung, wo normalerweise Varistoren zum Einsatz kommen, und liegt im Bereich von einigen Tausend Volt. Vergleichsweise erfordern 25 kW Tisch-große Kühlkörper; hier betragen die Ausmaße gerade einmal 10 x 12 mm. Erste Anwendungen sind Polymerhybrids für Komponenten im Projekt „Intelligenter Strom“.

Im Hochspannungsbereich haben aktuell die Kundenmuster den TÜV-Test für gedruckte Hochspannungs-Widerstände mit derzeit bis zu 200.000 Volt bestanden. „Auch hier erfolgt die Realisierung in Polymerdickschicht auf der Leiterplatte, was bis vor kurzem für den Gigaohm-Bereich noch für unmöglich gehalten wurde. Denn hohe Spannungen führen zu derart hohen Feldstärken, gekoppelt mit elektrostatischen Kräften, dass sie einen normalen Karbonwiderstand bereits beim ersten Versuch explosionsartig zerstäuben lassen. Doch unsere Polymerdickschicht hält diesen hohen Feldstärken Stand“, freut sich Frank Dietrich, Entwickler der speziellen “smart conductive“-Polymer-Paste, „unterstützt von einer ´runden´ Geometrie, die vor allem ab 100.000 Volt scharfe Ecken vermeidet, an denen die Funken sprühen würden.“

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