FR4-Leiterplatten für hohe Stromdichten und Wärme-Management

| Autor / Redakteur: Ralph Fiehler, Johann Hackl und Johannes Schauer * / Gerd Kucera

Bild 1: Motorsteuerungen, Umrichter und Hochvoltantriebe lassen sich mit verschiedenen Technologien und dem passenden PCB-Design technisch und ökonomisch optimieren.
Bild 1: Motorsteuerungen, Umrichter und Hochvoltantriebe lassen sich mit verschiedenen Technologien und dem passenden PCB-Design technisch und ökonomisch optimieren. (Bild: KSG)

Drei Technologien für Hochstrom-Leiterplatten stehen sich hier gegenüber: Dickschicht, Iceberg und HSMtec. PCB-Topologie und PCB-Design haben Einfluss auf die Stromtragfähigkeit und Bauteil-Entwärmung.

Getrennte Leiterplatten in einer Baugruppe miteinander zu verbinden, weil hohe Leistungen mit Steuerelektronik aufeinandertreffen, ist heute nicht mehr nötig. Lastkreis und Feinleiter für Logiksignale auf einer FR4-Leiterplatte zu kombinieren, spart Platz und Verbindungstechnik und erhöht die Zuverlässigkeit. Allerdings gibt es auf dem Weg zur optimalen Leiterplattenkonstruktion für Leistungselektronik fünf wesentliche Aspekte zu beachten:

Erstens das Wissen um die technischen Möglichkeiten des Verfahrens, die spezielle Design-Regeln vorgeben. Zweitens die Dimensionierung der Hochstromleiter und Isolationsabstände, drittens die Auswahl, Kombination und maximale Auslastung der Materialien. Viertens ist der Lagenaufbau mitentscheidend für die Stromtragfähigkeit und Entwärmung. Und fünftens unterstützt ein thermisch optimiertes Leiterplatten-Design die Zuverlässigkeit der Baugruppe wesentlich.

Lastkreis und Feinleiter für Logiksignale auf einer FR4-Leiterplatte zu kombinieren, spart Platz und Verbindungstechnik und erhöht die Zuverlässigkeit der gesamten Motorsteuerung, sei es eine Industrieanwendung oder der Einsatz im Automobil. Der Leiterplatten-Entwickler kann die Stromtragfähigkeit und Entwärmung der Leistungshalbleiter signifikant verbessern.

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, Wärme-Management und Zuverlässigkeit optimiert.

Aus Sicht der Leiterplatte lassen sich die Vorgaben der Antriebselektronik in fünf Punkten zusammenfassen:

  • hohe Integrationsdichte,
  • Zuverlässigkeit der elektronischen Baugruppe,
  • schnelle Wärmeableitung,
  • hohe Ströme kombiniert mit Steuerelektronik,
  • reduzierte Systemkosten, 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.

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.

Dickkupfer-PCB verteilen die Verlustleistungen horizontal

Die Dickkupfertechnik ist seit vielen Jahren auf dem Markt etabliert und wird in großen Stückzahlen gefertigt. Von Dickkupfer spricht die Leiterplattenindustrie in der Regel bei Kupferaufbauten von >105 µm. Dickkupferleiter dienen der besseren horizontalen Wärmeverteilung von hohen Verlustleistungen aus Leistungsbauteilen und/oder für den Transport von hohen Strömen und ersetzen Stanz-Biege-Konstruktionen für Stromschienen bei Hochstromanwendungen. 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. Obwohl sich die Prozessschritte einer Dickkupfer-Leiterplatte vom Standarddurchlauf einer herkömmlichen Leiterplatte im Wesentlichen nicht unterscheiden, erfordert die Fertigung eine besondere Prozesserfahrung und -führung. Eine Dickkupfer-Leiterplatte verweilt 10 bis 15mal länger in der Ätzlinie und hinterlässt ein typisches Ätzprofil. Die Ätz- und Bohrprozesse der Dickkupferleiterplatte bestimmen die Design-Regeln für das Leiterbild und sind unbedingt einzuhalten. Eine Liste mit Vorschlägen für einen kosten- und prozessoptimierten Lagenaufbau und Design-Regeln hält der Leiterplattenhersteller bereit.

Wichtig zu wissen: FR4-Laminate mit einer Basiskupferkaschierung >105 µm sind bedingt durch den hohen Kupferanteil kostenintensiver. Im Vergleich mit einem 18 µm beidseitig kaschierten Standardlaminat bewegt sich der Kostenfaktor bei etwa 1:8 bis 1:10 bezüglich Materialkosten. D.h. der Leiterplatten-Entwickler muss sein Augenmerk auf eine maximale Materialauslastung legen. Frühzeitiges Abstimmen mit dem Leiterplattenhersteller hilft, die Materialkosten erheblich zu senken.

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