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© Andus Leiterplatten | 08 Februar 2011

Hochstromleiterplatte – Systemintegration von Stromschienen und Elektronik

Wer Ströme für elektrische Antriebe und Stromversorgungen mit einer intelligenten Elektronik steuern möchte, muss bei der Hardware den Spagat zwischen Leistungs- und Mikro­elektronik meistern.

In diesem Beitrag werden verschiedene Varianten einer einzigartigen und vielfältigen Technik beschrieben, die für Ströme bis zu 1'000 Ampere geeignet sind. Herz­stücke dieser Technologie sind ein­gebettete Kupferschienen, die an die Oberfläche ragen, um SMD-Kom­ponenten und andere Leistungs­bau­teile zu kontaktieren. Abb. 1: Schematische Darstellung einer Hochstromleiterplatte mit SMD-Anschlussflächen auf TOP Um die Lücke zwischen Hochstromleitern auf der einen Seite und elektronischen Bauteilen auf der anderen Seite zu schließen, benötigt man üblicherweise eine Reihe von Kabeln, Montagematerial und Interposer, insbesondere wenn SMD-Bauteile vorgesehen sind. Ziel ist die Integration von Strom­schienen in Leiterplatten, um das Bauvolumen sowie den Montageaufwand bei Systemen zu sparen, die Antriebs- und Versorgungsströme sowie elektronische Steuerungen vereinen. Es gibt eine Reihe von Leiterplatten­technologien, die für Leistungsanwen­dungen konzipiert sind. Dazu zählen Multi­layer mit erhöhten Kupferschicht­dic­ken bis zu 400 µm, die bei höheren Lagenzahlen ein­geebnet werden können. Daneben wer­den mehrere Techniken angeboten, die auf eine selektive Erhöhung des Kupfer­querschnitts setzen, wie die Eisbergtech­nik, die Wirelaid-Technik und das partielle Einbetten von Dickkupfer-Laminaten. Alle diese Technologien haben einiges gemeinsam: Es ist meistens kein ausrei­chender Querschnitt zwischen den Lagen der Leiterplatte und den Anschlüssen für oberflächenmontierte Komponenten oder Schraubanschlüsse vorhanden (Abb. 2 oben). Die Vias bilden einen Eng­pass für die Ströme der angestrebten Größenordnung. Und auch die Einpressstecker, Schrauben und Klemmen garantieren keinen sicheren Kontakt zu den Lagen. Einzig das saubere Einlöten von Anschlüssen bildet eine durchgängige Verbindung von den Bauteilen zu allen Lagen. Hier ist jedoch der Lot­durchstieg umso riskanter, je höher die Gesamtkupferstärke ist. Abb. 2: Engpass im Kupferquerschnitt zwi­schen den Dickkupferlagen der Leiterplatte und den SMD- und Schraubanschlüssen (oben); Maximaler Kupferquerschnitt an allen Schnitt­stellen bei der Hochstromleiterplatte (unten) Im Gegensatz dazu kontaktiert die Hochstromleiterplatte, unabhängig von der Bauform, die Bauteile und Anschlüsse mit dem maximalen Leiter­querschnitt (Abb. 2 unten). So können SMD- und THT-Bauteile mit gebondeten Leistungs­halbleitern, Einpresskontakten und Schraub­verbindungen ohne Engpass im Strompfad kombiniert werden. Gleichzeitig dient die Stromschiene als Wärmesenke. Die Bauteile erhalten direkten Kontakt zu dieser thermischen Masse und werden dadurch zusätzlich optimal gekühlt. Design, Produktion und Verarbeitung Abb. 3: Grobe Richtwerte für das Design von Hochstromleiterplatten: Leiterbreiten und ‑abstände (A, B) ≥2 mm; Abstand Kupfer zu Kante (C) ≥0 mm; Bohrungen im Kupfer (D) ≥0,8 mm Verglichen mit herkömmlichen Strom­schienen, die man aus der Elektrotechnik kennt, kommen bei der Hochstrom­leiterplatte individuell geformte Kupfer­teile zum Einsatz. Form und Lage der Kupferteile können frei definiert werden. Damit erhält der Layouter die Freiheit, die Bauteile und Anschlüsse so zu platzieren, dass ein kompaktes Modul mit optimierten thermischen und elektrischen Funktionen entsteht. Da jedes Hochstrom-Projekt seine eigene Ausprägung hat, ist es schwierig, gene­relle Designregeln festzulegen. Je nach Größe und Form der Kupferteile und Isola­tionsstege sind die Design-Grenzen für jedes Projekt zu überprüfen. Einen groben Anhaltspunkt für das Design bieten Richt­werte, die in Abb. 3 dargestellt sind. Zur Herstellung einer Hochstrom­leiterplatte werden zunächst die Kupferteile gefertigt. Dies erfolgt, je nach Größe, Form und Anzahl der Teile, durch Ätzen, Fräsen oder Stanzen. Die Kupferteile werden in vorgefräste Rahmen eingelegt und dann mit Prepregs und eventuell weiteren Lagen verpresst (Abb. 4). Abb. 4: Schematischer Lagenaufbau einer einfachen Hochstromleiterplatte, bestehend aus Kupferteilen und Rahmen zwischen Prepregs und Kupferfolien Ein Vorteil der Hochstromleiterplatte liegt in der Verarbeitung. Dadurch, dass die Stromschienen eingebettet sind, ist die Hochstromleiterplatte – bis auf ihr Gewicht – äußerlich nicht von anderen Leiter­platten zu unterscheiden. Sie kann in üblichen SMD-Prozessen verarbeitet wer­den, wenn das Profil auf die höhere ther­mische Masse eingestellt wird. Erfah­rungen zeigen, dass diese Lötprozesse gut gemeistert werden können. Ein Repara­turprozess für Bauteile mit direktem Kon­takt zur Hochstromschiene gestaltet sich dagegen komplexer als bei üblichen Flach­baugruppen. Technologie-Varianten Das gesamte Potential der Hochstrom­leiterplatte wird deutlich, wenn man die Variations-möglichkeiten hinzuzieht. Den größten Nutzen bietet die Techno­logie, wenn die Kupferteile so geformt werden, dass diese bis an die Oberfläche reichen und mit den anderen Pads auf TOP und/oder BOT bündig abschließen (Abb. 1). Damit erhält man eine komplett ebene Leiterplatte, die in dem darauf fol­genden Pastendruck- und Bestückungs­prozess ohne Anpassung weiterverarbeitet werden kann. Auch Kabelschuhe, Module und schraubbare Bauteile lassen sich so einfacher an die Hochstromlage anschließen (Abb. 5 - 7). Abb. 5: Oberfläche einer Hochstromleiterplatte mit ebenen SMD-Anschlussflächen der Stromschienen Abb. 6: Auf die Hochstrom-Kontakte gelötete Leistungsbauteile; die Stromschienen dienen gleichzeitig als Wärmesenke / Abb. 7: Komplettierte Baugruppe mit Hochstromleiterplatte Bei einer weiteren Ausprägung der Techno­logie ragt die Hochstromlage seitlich aus dem Leiterplattenrand heraus. Diese Kon­takte können direkt als Stecker verwendet oder wie das Ende einer herkömmlichen Stromschiene kontaktiert werden (Abb. 8). Abb. 8: Periphere Anschlussfahnen ermöglichen die Nachbildung der Anschlüsse von herkömmlichen Stromschienen Die beiden nächsten Varianten der Hochstromleiterplatte zielen weniger auf hohe Ströme als vielmehr auf die Kühlung von Bauteilen. Wenn die Kupferteile sowohl nach oben als auch nach unten SMD-Anschlussflächen aufweisen, arbeiten sie wie herkömmliche Leiterplatten-Inlays, die in Ausfräsungen in Leiterplatten eingepresst werden, um Wärme von Leistungsbauteilen von TOP nach BOT zu leiten. Die eingebetteten Kupferteile (Abb. 9) unterscheiden sich von den herkömmlichen Inlays durch eine höhere Zuverlässigkeit bei der Herstellung und Verarbeitung, da kein mechanischer Stress auf die Leiterplatte ausgeübt wird. Außer­dem können Größe und Lage der Pads voneinander unabhängig gewählt werden. Auch eine elektrische Anbindung ist ohne Mehraufwand möglich. Abb. 9: Zuverlässige und vielfältige Inlays durch Einbetten in die Leiterplatte Die letzte Variante der Hochstrom­leiterplatte ist eine einseitige Ausführung (Abb. 10 und 11). Hier ragen erhabene Pads eines Kupferbleches durch die Isolierung einer dünnen Isolationslage, um dann als SMD-Heatsink-Kontakte direkt an die ent­sprechenden Bauteilanschlüsse kontaktiert zu werden. Im Gegensatz zu Aluminium­substraten aus IMS weist diese Aus­führung keine Isolationsschicht auf, so dass hier wesentlich höhere Leistungen abgeführt werden können. Solche Konstruktionen kommen unter anderem bei Hochleistungs-LEDs mit bis zu 10W zum Einsatz. Abb. 10: Schematischer Aufbau einer Heatsink-Leiterplatte mit direkt angebundenen Kühlflächen an der Oberfläche Abb. 11: LED-Modul mit optimaler Entwärmung durch Kühlflächen ohne Isolationsschichten










----- Autor: Dr. Christoph Lehnberger; Vertriebsleiter; Andus
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2019.05.14 20:21 V13.3.8-1