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© Andus Leiterplatten | 08 Februar 2011

Hochstromleiterplatte – Systemintegration von Stromschienen und Elektronik

Wer Str√∂me f√ľr elektrische Antriebe und Stromversorgungen mit einer intelligenten Elektronik steuern m√∂chte, muss bei der Hardware den Spagat zwischen Leistungs- und Mikro¬≠elektronik meistern.
In diesem Beitrag werden verschiedene Varianten einer einzigartigen und vielf√§ltigen Technik beschrieben, die f√ľr Str√∂me bis zu 1'000 Ampere geeignet sind. Herz¬≠st√ľcke dieser Technologie sind ein¬≠gebettete Kupferschienen, die an die Oberfl√§che ragen, um SMD-Kom¬≠ponenten und andere Leistungs¬≠bau¬≠teile zu kontaktieren. Abb. 1: Schematische Darstellung einer Hochstromleiterplatte mit SMD-Anschlussfl√§chen auf TOP Um die L√ľcke zwischen Hochstromleitern auf der einen Seite und elektronischen Bauteilen auf der anderen Seite zu schlie√üen, ben√∂tigt man √ľblicherweise eine Reihe von Kabeln, Montagematerial und Interposer, insbesondere wenn SMD-Bauteile vorgesehen sind. Ziel ist die Integration von Strom¬≠schienen in Leiterplatten, um das Bauvolumen sowie den Montageaufwand bei Systemen zu sparen, die Antriebs- und Versorgungsstr√∂me sowie elektronische Steuerungen vereinen. Es gibt eine Reihe von Leiterplatten¬≠technologien, die f√ľr Leistungsanwen¬≠dungen konzipiert sind. Dazu z√§hlen Multi¬≠layer mit erh√∂hten Kupferschicht¬≠dic¬≠ken bis zu 400¬†¬Ķm, die bei h√∂heren Lagenzahlen ein¬≠geebnet werden k√∂nnen. Daneben wer¬≠den mehrere Techniken angeboten, die auf eine selektive Erh√∂hung des Kupfer¬≠querschnitts setzen, wie die Eisbergtech¬≠nik, die Wirelaid-Technik und das partielle Einbetten von Dickkupfer-Laminaten. Alle diese Technologien haben einiges gemeinsam: Es ist meistens kein ausrei¬≠chender Querschnitt zwischen den Lagen der Leiterplatte und den Anschl√ľssen f√ľr oberfl√§chenmontierte Komponenten oder Schraubanschl√ľsse vorhanden (Abb.¬†2 oben). Die Vias bilden einen Eng¬≠pass f√ľr die Str√∂me der angestrebten Gr√∂√üenordnung. Und auch die Einpressstecker, Schrauben und Klemmen garantieren keinen sicheren Kontakt zu den Lagen. Einzig das saubere Einl√∂ten von Anschl√ľssen bildet eine durchg√§ngige Verbindung von den Bauteilen zu allen Lagen. Hier ist jedoch der Lot¬≠durchstieg umso riskanter, je h√∂her die Gesamtkupferst√§rke ist. Abb. 2: Engpass im Kupferquerschnitt zwi¬≠schen den Dickkupferlagen der Leiterplatte und den SMD- und Schraubanschl√ľssen (oben); Maximaler Kupferquerschnitt an allen Schnitt¬≠stellen bei der Hochstromleiterplatte (unten) Im Gegensatz dazu kontaktiert die Hochstromleiterplatte, unabh√§ngig von der Bauform, die Bauteile und Anschl√ľsse mit dem maximalen Leiter¬≠querschnitt (Abb.¬†2 unten). So k√∂nnen SMD- und THT-Bauteile mit gebondeten Leistungs¬≠halbleitern, Einpresskontakten und Schraub¬≠verbindungen ohne Engpass im Strompfad kombiniert werden. Gleichzeitig dient die Stromschiene als W√§rmesenke. Die Bauteile erhalten direkten Kontakt zu dieser thermischen Masse und werden dadurch zus√§tzlich optimal gek√ľhlt. Design, Produktion und Verarbeitung Abb. 3: Grobe Richtwerte f√ľr das Design von Hochstromleiterplatten: Leiterbreiten und ‚ÄĎabst√§nde (A, B) ‚Č•2 mm; Abstand Kupfer zu Kante (C) ‚Č•0 mm; Bohrungen im Kupfer (D) ‚Č•0,8 mm Verglichen mit herk√∂mmlichen Strom¬≠schienen, die man aus der Elektrotechnik kennt, kommen bei der Hochstrom¬≠leiterplatte individuell geformte Kupfer¬≠teile zum Einsatz. Form und Lage der Kupferteile k√∂nnen frei definiert werden. Damit erh√§lt der Layouter die Freiheit, die Bauteile und Anschl√ľsse so zu platzieren, dass ein kompaktes Modul mit optimierten thermischen und elektrischen Funktionen entsteht. Da jedes Hochstrom-Projekt seine eigene Auspr√§gung hat, ist es schwierig, gene¬≠relle Designregeln festzulegen. Je nach Gr√∂√üe und Form der Kupferteile und Isola¬≠tionsstege sind die Design-Grenzen f√ľr jedes Projekt zu √ľberpr√ľfen. Einen groben Anhaltspunkt f√ľr das Design bieten Richt¬≠werte, die in Abb. 3 dargestellt sind. Zur Herstellung einer Hochstrom¬≠leiterplatte werden zun√§chst die Kupferteile gefertigt. Dies erfolgt, je nach Gr√∂√üe, Form und Anzahl der Teile, durch √Ątzen, Fr√§sen oder Stanzen. Die Kupferteile werden in vorgefr√§ste 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 ‚Äď bis auf ihr Gewicht ‚Äď √§u√üerlich nicht von anderen Leiter¬≠platten zu unterscheiden. Sie kann in √ľblichen SMD-Prozessen verarbeitet wer¬≠den, wenn das Profil auf die h√∂here ther¬≠mische Masse eingestellt wird. Erfah¬≠rungen zeigen, dass diese L√∂tprozesse gut gemeistert werden k√∂nnen. Ein Repara¬≠turprozess f√ľr Bauteile mit direktem Kon¬≠takt zur Hochstromschiene gestaltet sich dagegen komplexer als bei √ľblichen Flach¬≠baugruppen. Technologie-Varianten Das gesamte Potential der Hochstrom¬≠leiterplatte wird deutlich, wenn man die Variations-m√∂glichkeiten hinzuzieht. Den gr√∂√üten Nutzen bietet die Techno¬≠logie, wenn die Kupferteile so geformt werden, dass diese bis an die Oberfl√§che reichen und mit den anderen Pads auf TOP und/oder BOT b√ľndig abschlie√üen (Abb. 1). Damit erh√§lt man eine komplett ebene Leiterplatte, die in dem darauf fol¬≠genden Pastendruck- und Best√ľckungs¬≠prozess ohne Anpassung weiterverarbeitet werden kann. Auch Kabelschuhe, Module und schraubbare Bauteile lassen sich so einfacher an die Hochstromlage anschlie√üen (Abb. 5 - 7). Abb. 5: Oberfl√§che einer Hochstromleiterplatte mit ebenen SMD-Anschlussfl√§chen der Stromschienen Abb. 6: Auf die Hochstrom-Kontakte gel√∂tete Leistungsbauteile; die Stromschienen dienen gleichzeitig als W√§rmesenke / Abb. 7: Komplettierte Baugruppe mit Hochstromleiterplatte Bei einer weiteren Auspr√§gung der Techno¬≠logie ragt die Hochstromlage seitlich aus dem Leiterplattenrand heraus. Diese Kon¬≠takte k√∂nnen direkt als Stecker verwendet oder wie das Ende einer herk√∂mmlichen Stromschiene kontaktiert werden (Abb. 8). Abb. 8: Periphere Anschlussfahnen erm√∂glichen die Nachbildung der Anschl√ľsse von herk√∂mmlichen Stromschienen Die beiden n√§chsten Varianten der Hochstromleiterplatte zielen weniger auf hohe Str√∂me als vielmehr auf die K√ľhlung von Bauteilen. Wenn die Kupferteile sowohl nach oben als auch nach unten SMD-Anschlussfl√§chen aufweisen, arbeiten sie wie herk√∂mmliche Leiterplatten-Inlays, die in Ausfr√§sungen in Leiterplatten eingepresst werden, um W√§rme von Leistungsbauteilen von TOP nach BOT zu leiten. Die eingebetteten Kupferteile (Abb. 9) unterscheiden sich von den herk√∂mmlichen Inlays durch eine h√∂here Zuverl√§ssigkeit bei der Herstellung und Verarbeitung, da kein mechanischer Stress auf die Leiterplatte ausge√ľbt wird. Au√üer¬≠dem k√∂nnen Gr√∂√üe und Lage der Pads voneinander unabh√§ngig gew√§hlt werden. Auch eine elektrische Anbindung ist ohne Mehraufwand m√∂glich. Abb. 9: Zuverl√§ssige und vielf√§ltige Inlays durch Einbetten in die Leiterplatte Die letzte Variante der Hochstrom¬≠leiterplatte ist eine einseitige Ausf√ľhrung (Abb. 10 und 11). Hier ragen erhabene Pads eines Kupferbleches durch die Isolierung einer d√ľnnen Isolationslage, um dann als SMD-Heatsink-Kontakte direkt an die ent¬≠sprechenden Bauteilanschl√ľsse kontaktiert zu werden. Im Gegensatz zu Aluminium¬≠substraten aus IMS weist diese Aus¬≠f√ľhrung keine Isolationsschicht auf, so dass hier wesentlich h√∂here Leistungen abgef√ľhrt werden k√∂nnen. Solche Konstruktionen kommen unter anderem bei Hochleistungs-LEDs mit bis zu 10W zum Einsatz. Abb. 10: Schematischer Aufbau einer Heatsink-Leiterplatte mit direkt angebundenen K√ľhlfl√§chen an der Oberfl√§che Abb. 11: LED-Modul mit optimaler Entw√§rmung durch K√ľhlfl√§chen ohne Isolationsschichten










----- Autor: Dr. Christoph Lehnberger; Vertriebsleiter; Andus
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