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Aufbau- und Verbindungstechnik Embedded Power Devices und Logik in Hochstromleiterplatten

| Autor / Redakteur: Thomas Gottwald und Christian Rößle * / Gerd Kucera

Die hier vorgestellten Leiterplattentechnologien integrieren hohe Leistung mit Embedded Power Devices und sorgen für erhöhte Zuverlässigkeit etwa bei thermischer Wechselbeanspruchung.

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Bild 1: Explosionsdarstellung der Funktionsebenen eines Smart p² Pack. Das Power-Modul integriert bei 1 bis 1,4 mm Bauhöhe IGBTs und Dioden zur Ansteuerung eines 40-kW-Elektromotors.
Bild 1: Explosionsdarstellung der Funktionsebenen eines Smart p² Pack. Das Power-Modul integriert bei 1 bis 1,4 mm Bauhöhe IGBTs und Dioden zur Ansteuerung eines 40-kW-Elektromotors.
(Bild: Schweizer Electronic)

Schaltungsträger für leistungselektronische Anwendungen müssen die Anforderungen an einen hohen Wirkungsgrad des Gesamtsystems unterstützen.

Daher sind auch auf dieser Ebene die Verluste zu minimieren. Eine weitere Anforderung ist die Unterstützung des thermischen Managements der Baugruppe, bei der der Schaltungsträger häufig eine entscheidende Aufgabe übernimmt.

Darüber hinaus wird natürlich erwartet, dass sämtliche Funktionen von Schaltungsträgern, die aus der klassischen Elektronik bekannt sind, auch von den leistungselektronischen Schaltungsträgern erfüllt werden.

Eine zentrale Rolle bei der Betrachtung der Verlustleistung von Schaltungsträgern spielen die ohmschen Verluste in den Metalllagen, meist bestehend aus Kupfer oder dessen Legierungen.

Kupfer hat zwar einen sehr niedrigen intrinsischen Widerstand; bei hohen Strömen ist dieser jedoch nicht zu vernachlässigen und führt zu einer Eigenerwärmung des Leiters. Diese trägt zur Erwärmung des Gesamtsystems bei und ist daher ebenfalls zu minimieren.

Eigenschaft der Isolatoren und Erhöhung der Querschnitte

Die thermische Leitfähigkeit des Substrats spielt bei diesen Überlegungen ebenfalls eine wichtige Rolle: Die Stromtragfähigkeit eines Leiters wird letztlich durch das thermische Versagen des Leiters begrenzt. Je besser die Entwärmung eines Leiters erfolgt, desto höher steigt dessen Strombelastbarkeit. Daher spielen Faktoren wie die spezifische thermische Leitfähigkeit und die Dicke des Isolators eine wichtige Rolle.

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Die Erhöhung des Leiterquerschnitts ist ein probates Mittel, den ohmschen Widerstand zu reduzieren. Häufig führt daran auch kein Weg vorbei. Jedoch muss berücksichtigt werden, dass die Erhöhung des Querschnitts mit einer Erhöhung des Gewichts einhergeht, was für Anwendungen im Bereich der Elektromobilität unerwünscht ist, da jede Gewichtserhöhung zu einer Verringerung der Reichweite eines Elektrofahrzeugs führt.

Die Auslegung des Leiterquerschnitts wird wiederum von der zulässigen Eigenerwärmung bestimmt. Diese Eigenerwärmung hängt von der thermischen Leitfähigkeit des Substrats und dessen Anbindung an eine geeignete Wärmesenke ab. Je höher die Temperaturbeständigkeit des Isolators ist, umso höher kann auch die Eigenerwärmung des Leiters in der Auslegung des Systems gewählt werden.

Daher ist die Ermittlung des erforderlichen Leiterquerschnitts heute zu einer komplexen Aufgabe geworden. Die klassischen Methoden und Regeln der Layout-Gestaltung, wie von IPC oder FED beschrieben, können hier oftmals nicht mehr angewendet werden, da sie diese neuen Anforderungen nicht berücksichtigen.

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