3D-Hochstrom-Leiterplatten

Hochstrom-Leiterplatte begegnet Anforderungen der Antriebstechnik

| Autor / Redakteur: Johann Hackl * / Gerd Kucera

Bild 1: Die Kombination von Steuer- und Leistungsteil auf einer Leiterplatte mit HSMtec (rechts) spart Platz und Systemkosten im Vergleich zur üblichen Lösung (links).
Bild 1: Die Kombination von Steuer- und Leistungsteil auf einer Leiterplatte mit HSMtec (rechts) spart Platz und Systemkosten im Vergleich zur üblichen Lösung (links). (Bild: Häusermann)

Hochstromstrukturen für Lastkreise und Feinleiter für Logiksignale auf einem Schaltungsträger ist mit HSMtec kein Widerspruch. Diese Standard-FR4-Multilayer führen Ströme bis 400 A.

Die Forderung nach maximaler Energieeffizienz treibt die Entwicklung elektrischer Systemen wie Bremskraftverstärker und Lenksysteme in der Fahrzeugtechnik sowie Umrichter und Motorsteuerungen in der Industrieautomation. Und speziell in der Fahrzeugtechnik müssen Entwickler sowohl die eingeschränkten Raumverhältnisse als auch die anspruchsvollen Temperaturvorgaben bedienen. Dagegen ist die Antriebstechnik in der Industrieelektronik mit hohen Anforderungen an die Spannungsfestigkeit und Isolationsklassen konfrontiert. Auf beiden Gebieten versprechen die Lösungen Erfolg, die alle Anforderungen schon in der Konzept- und Design-Phase berücksichtigen.

Je anspruchsvoller die Vorgaben an die Baugruppe, umso wichtiger wird die Leiterplatte. Zudem bestimmen die thermischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften die Kosten des Gesamtsystems. Intelligente Lösungen senken den Platzbedarf ebenso wie das Gewicht und Volumen der Baugruppe. Wir sehen uns nun die wesentlichen Herausforderungen beim Design einer Platine für die Antriebstechnik genauer an und zeigen konkrete, teilweise unkonventionelle Lösungswege auf.

Signal und Leistung auf einer Platine optimal kombinieren

Der übliche Design-Ansatz einer Motorsteuerung trennt Steuerungs- und Leistungsteil in zwei Leiterplatten. Der Leistungsteil wird oft auf Dickkupfertechnik- oder Metallkernleiterplatten untergebracht und über Steckverbinder und Kabel mit der Steuerungsleiterplatte verbunden. Diese Konstruktionen brauchen viel Platz und außerdem Stecker, Kabel und Stromschienen oder Stanzgitter als Verbindungselemente.

Vorteilhafter und zunehmend gefordert ist es, Leistungs- und Steuerungsteil auf nur einer Leiterplatte zu platzieren (Bild 1). Die Herausforderung dabei ist, die großen Leitungsquerschnitte für hohe Ströme mit feinen und feinsten Strukturen des Steuerungsteils in einem Board – oft auf derselben Ebene – zu kombinieren. Fertigt man die Leiterquerschnitte des Leistungsteils mit herkömmlicher Ätztechnologie in 70 oder 105 µm, braucht man sehr breite Leiterzüge und damit viel teure Leiterplattenfläche.

Hier setzt HSMtec an. Die zum Übertragen der hohen Ströme erforderlichen großen Leiterquerschnitte des Leistungsteils sind als massive Kupferprofile in einem FR4-Multilayer verpresst. Die Kupferprofile werden additiv über eine stoffschlüssige Ultraschallverbindung auf eine geätzte Lage der Leiterplatte aufgebracht. Da die Kupferprofile 500 µm hoch sind, verkleinert sich das Design in der Breite mindestens um den Faktor 3 bis 4 gegenüber 70 oder 105 µm (Bild 2).

Ein Beispiel: Rund 40% weniger Platz als die herkömmliche Lösung braucht eine Rotorblattsteuerung für Windkrafträder mit IGBTs auf einer HSMtec-Leiterplatte. Zum Steuern von Gleich- und Wechselstrommotoren muss 150 A Dauerstrom zwischen den IGBTs sowie zu den externen Anschlüssen transportiert werden. Neben den IGBTs ist auch ein Hochstromstecker zu berücksichtigen. Die Leiterplatte darf sich maximal um 40 °C erwärmen.

Im 2,2 mm dicken 6-Lagen-Multilayer mit 330 mm x 268 mm Kantenlänge sind 2970 mm Kupferprofile mit Breiten von 4, 8 und 12 mm selektiv unter den IGBTs angeordnet. Die Gesamtverlustleistung aller Hochstromleitungen zeigt, was HSMtec leistet: Die Verlustleistung aller Hochstromleitungen wurde auf 20 W eingeschränkt und die Forderung nach einem ∆T von 40 K erfüllt. Ohne Kupferprofile würde die Verlustleistung 50 W betragen und das ∆T auf 110 K ansteigen. Die spannungskritischen Netze auf dieser Platine wurden mit 2,5 kV geprüft.

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