FR4-Leiterplatten für hohe Stromdichten und Wärme-Management

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

Iceberg: für eine gleichmäßige Oberflächen-Topologie

Die Dickkupfertechnik ist hinsichtlich Miniaturisierung begrenzt. Durch die starke Unterätzung lassen sich nur relativ grobe Strukturen erzeugen. Eine weitere Einschränkung: Eine feine Signalverdrahtung ist nicht auf der gleichen Verdrahtungsebene der Dickkupferleiter möglich.

Anders bei der Iceberg-Technologie, entwickelt und patentiert von KSG. Iceberg-Leiterplatten sind partielle Dickkupfer-Leiterplatten. In einer Verdrahtungsebene gibt es Bereiche mit 70 bis 100 µm Kupfer für die Steuerung und Bereiche mit bis zu 400 µm Kupfer für die Last. Das dicke Kupfer wird weitgehend in der Leiterplatte versenkt. Dadurch entsteht eine einheitliche Oberflächentopografie über das gesamte Leiterbild. Auf den Innenlagen lässt sich das Iceberg-Prinzip zusätzlich mit Dickkupfer kombinieren.

Durch ein Einbetten von zwei Drittel des 400 µm Dickkupferbereiches in das Basismaterial entsteht eine planare Leiterplatten- Oberfläche. Vorteil: In nur einem Gießvorgang lassen sich die Leiterzugflanken prozesssicher mit Lötstopplack abdecken. Der spätere Bestückungsprozess kann in einer Ebene durchgeführt werden. Iceberg-Strukturen eignen sich auch als Wärmesenke für Leistungsbauteile und sind zur Optimierung des thermischen Managements mit durchkontaktierten Bohrungen (Vias) kombinierbar.

HSMtec: Kupferelemente in den Innen- und Außenlagen

Eine weitere Möglichkeit, Last und Logik auf einer Leiterplatte zu kombinieren, ist HSMtec. Hierbei werden massive Kupferelemente selektiv an jenen Stellen, an welchen hohe Ströme fließen, in den Innenlagen und unter den Außenlagen des FR4-Multilayers verlegt und per Ultraschall stoffschlüssig mit dem Basiskupfer der geätzten Leiterbilder verbunden. Nach dem Verpressen der Lagen befinden sich die Kupferprofile unter den Außenlagen und/oder in den Innenlagen des Multilayers.

Die übrige Leiterplatte bleibt davon unberührt. Der Multilayer wird im Standard-Herstellungsprozess gefertigt und im üblichen Bestückungs- und Lötprozess weiterverarbeitet. Mit diesem Aufbau lassen sich die elektrischen Vorgaben an die Spannungsfestigkeit und Isolationsklassen von Maschinen genauso bedienen wie anspruchsvolle Temperaturverhältnisse bei eingeschränktem Bauraum in Fahrzeugen.

Die massiven Kupferprofile im Inneren des Multilayers ermöglichen auch dreidimensionale Konstruktionen. Durch Kerbfräsungen senkrecht zu den Kupferprofilen lassen sich Segmente der Leiterplatte bis zu 90° biegen. So wird Bauraum geschickt ausgenutzt und Hochstrom und Wärme über die Biegekante transportiert. Die Konstruktion wird als zweidimensionale Leiterplatte layoutet, im Nutzen gefertigt und bestückt. Nach dem Bestücken bzw. zur Montage der Baugruppe wird die Leiterplatte in die dreidimensionale Form gebogen.

Eine Software unterstützt die Entwickler bei der Dimensionierung von Hochstromleiterbahnen. Mit wenigen Eingaben wie Stromstärke und Temperaturen, liefert der Kalkulator die minimale Leiterbreite sowohl für HSMtec als auch für 70 und 105 µm Kupferkaschierung (siehe Link).

Lagenaufbau legt geringe oder hohe Wärmespreizung fest

Der Lagenaufbau hat maßgeblichen Einfluss auf die Stromtragfähigkeit. Die Stromtragfähigkeit verdoppelt sich, wenn zwei Masseinnenlagen vorhanden sind, die keine Eigenerwärmung haben. Folglich erhöht eine Wärmespreizung durch solche Masselagen die Strombelastbarkeit. Weitere Einflussfaktoren sind das Verhältnis der Leiterbahnbreite zur Leiterbahnhöhe, die Umgebungstemperatur und die Anordnung benachbarter Leiterbahnen. Möglichst viel und richtig angeordnetes passives Kupfer neben, unter oder über den eigentlichen stromführenden Leiterbahnen im Leiterplattenaufbau begünstigt die Stromtragfähigkeit und die Entwärmung dieser Leiterbahnen. Diagramme und Tabellen dazu stellt der Leiterplattenhersteller zur Verfügung.

Typisch für Leistungstransistoren sind ihre Leit- und Schaltverluste. Ein thermisch optimiertes Leiterplatten-Design trägt maßgeblich zur Entwärmung der Leistungsteile bei, die meist heißer werden als der Hochstromleiter. Der Aufwand lohnt sich: jedes Grad niedrigere Junction-Temperatur erhöht die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Leistungshalbleiter.

Typische Designmaßnahmen für Leistungsbaugruppen sind:

  • - Je nach MOT (Maximum Operating Temperature) richtiges Basismaterial bzgl. TG wählen (130, 150, 170, …)
  • - Je nach Temperaturhub und Zyklenanzahl den dementsprechenden CTE(Z) wählen (70, 50, 40 ppm/K).
  • - Bei erhöhter Luftfeuchtigkeit im Einsatz CAF-beständiges Material auswählen.

Während IGBTs direkt auf einem Kühlkörper montiert sind, verursachen MOSFETs im SMD-Gehäuse punktuelle Hotspots auf der Leiterplatte. Ein wärmetechnisch optimierter Lagenaufbau sorgt zusätzlich für rasche Wärmespreizung und unterstützt das gesamte thermische Konzept des Leiterplatten-Designs. Zur schnellen Wärmeableitung kombiniert man Thermovias (durchkontaktierte Bohrungen) mit einem wärmetechnisch optimierten Lagenaufbau. Über Micro- und Thermovias lassen sich die Leistungsbauteile in Kombination mit Kupferprofilen auf Innenlagen effizient durch die Leiterplatte zu einem Kühlkörper entwärmen.

Der durchgängige Pfad aus Kupfer von der Quelle bis zur Senke leitet Wärme 1000-fach besser als FR4. Auf einer Fläche von 10 mm x 10 mm ist es möglich, mehr als 400 durchkontaktierte Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,25 mm zu platzieren, womit die Fläche dann zu 10% aus Kupfer besteht. Mit dieser Designmaßnahme erhöht sich die effektive Wärmeleitfähigkeit der FR4-Fläche auf 30 W/m·K. Damit ist diese Konstruktion hundertmal besser wärmeleitend als FR4 und noch zehnmal besser leitend als die besten Wärmeleitsubstrate.

Beispiel: Motorsteuerung mit cleverer Entwärmung

Alle Möglichkeiten der HSMtec-Leiterplatte (Feinstleiter und Hochstrom, Wärmeableitung von MOSFETs und auch 3D-Konstruktionen in einem Produkt) nutzt eine CAN-basierte intelligente Lüftersteuerung für Nutzfahrzeuge. In der Steuereinheit müssen acht Halbbrücken mit 3 x 15 A Leitungen zu den Steckern angeschlossen sein. Im Betrieb darf die Umgebungstemperatur maximal 80 °C erreichen. Das thermische Management der Motorsteuerung haben die Entwickler über eine dreidimensionale Konstruktion gelöst: Die Entwärmung der Halbbrücken erfolgt über zwei Biegekanten zu Leiterplattenlaschen, die in einem Standardkunststoffgehäuse mit einem Aluminium-Kühlkörper verklebt werden.

Die Laschen befinden sich an zwei gegenüberliegenden Seiten und werden nach dem Bestücken der Leiterplatte um 90° nach oben gebogen. Die integrierten Kupferprofile verteilen die Wärme der Leistungshalbleiter und führen sie über die Biegekanten und Leiterplattenlaschen zur Gehäusewand auf einen Aluminium-Kühlkörper.

Auf der nur 197,35 mm x 152,40 mm kleinen Grundfläche des 4-Lagen Multilayers befinden sich 12 mm breite Profile auf Lage 1 über Biegekanten zum Entwärmen der Halbbrücken, dazu 2 mm, 4 mm und 8 mm breite Profile auf Lage 1 für die Ströme von 15 und 60 A. 2 mm und 4 mm breite Kupferprofile sind auf der Bottom-Seite für die Ströme 15 und 60 A vorhanden.

* Ralph Fiehler, Johann Hackl und Johannes Schauer arbeiten im Entwicklungs- und Applikationsteam der KSG Group, Gornsdorf.

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