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Hochstromanwendungen Leistungshalbleiter auf miniaturisierten Leiterplatten

| Autor / Redakteur: Dirk Müller * / Gerd Kucera

Hohe Ströme von 100 A und mehr sicher über das Board zu führen ist die eine Herausforderung für das PCB-Design. Dabei eine lokale Überhitzung durch Leistungshalbleiter zu vermeiden, ist die andere.

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Bild 2: Die Stromdichte dieser Kupferfläche, die an der Durchkontaktierung auf etwa 25% reduziert ist, führt zu einer Überhitzung
Bild 2: Die Stromdichte dieser Kupferfläche, die an der Durchkontaktierung auf etwa 25% reduziert ist, führt zu einer Überhitzung
(Bild: FlowCAD EDA-Software Vertriebs GmbH)

Hohe Ströme auf Leiterplatten zu führen scheint auf den ersten Blick nicht schwierig. Doch ein genügend großer Kupferquerschnitt braucht ausreichend Platz. Und der ist auf miniaturisierten Boards nicht selbstverständlich. Viele Firmen gehen heute neue Wege, um den Platzbedarf auf einer Leiterplatte zu optimieren und dennoch den geforderten Leitungsquerschnitt sicherzustellen. Hohe Ströme treten nicht nur in modernen gedruckten Schaltungen wie Solar- und Windkraftanlagen oder Elektroautos auf, sondern auch in Schaltnetzteilen oder Leistungselektronik und heute sogar in Low-Power-Computertechnik, also in fast allen Anwendungen.

Viele Möglichkeiten, doch nur eine echte Alternative

Der geeignete Leitungsquerschnitt ist abhängig vom maximal zu erwartenden Strom und der maximalen Erwärmung gegenüber der Umgebungstemperatur. Genaue Formeln sind in der IPC-2152A-Richtlinie beschrieben. Entsprechend der Dicke der Kupferlagen einer Leiterplatte ergibt sich dann eine minimale Breite für die Kupferverbindung.

Mit steigender Miniaturisierung von Steuer- und Regelschaltungen müssen aber sensible SMT-Bauteile auf der gleichen Leiterplatte verbunden werden, auf der auch hohe Ströme von 10 bis 125 A fließen. Dies stellt die Entwickler vor verschiedene Herausforderungen. Zum einen müssen die Leitungsquerschnitte so großzügig wie möglich dimensioniert werden, damit es nicht zu einer Überhitzung bei den Leitungen mit hohen Strömen kommt. Zum anderen sind Sicherheitsabstände zu sensiblen Leitungen der Regelschaltung einzuhalten. Soweit einfache Vorgaben. Jetzt kommt aber hinzu, dass für die feinen Leiterstrukturen von SMT-Bauteilen nicht mehr 70 µm dicke Lagen verwendbar sind, sondern auf 35-µm-Technologie gewechselt werden sollte, damit sich die FPGAs und Microcontroller optimal verschalten lassen. Das bedeutet für die stromführenden Leitungen eine Verdopplung ihrer Leiterbahnbreite und mehr Platzbedarf

Weil die SMT-Feinstleiter auf der Lötseite (Top/Bottom) sein sollen, wäre es denkbar, einen unsymmetrischen Lagenaufbau mit 35 µm auf der Oberseite für SMT-Technik und 70/105 µm auf der Unterseite für Stromanforderungen zu wählen. Aber dies scheidet meist wegen der erhöhten Kosten für den unsymmetrischen Aufbau sowie der Einschränkung, SMT-Bauteile nur auf einer Seite bestücken zu können, aus.

Eine weitere Alternative, die stromführenden Leitungen nur auf den Innenlagen zu verlegen würde aber das thermische Verhalten negativ beeinflussen, da es im Inneren der Leiterplatte einen höheren Temperaturanstieg gibt und sich die Kühlung nur durch wiederum erhöhten Platzbedarf lösen lässt.

Wenn es gilt Platzprobleme zu lösen, dann ist es effektiv, bei stromführenden Leitungen die einzelnen Segmente einer Leiterbahn nur genauso breit wie erforderlich zu gestalten. Wenn wie in Bild 1 zu sehen ist, vier IGBTs jeweils 3 A ziehen können, kann die Zuleitung nach einem Abzweig entsprechend verjüngt werden. Im Constraint Manager der Leiterplatten-Design-Software Allegro von Cadence lassen sich jedem Teilnetz Design-Regeln zuweisen, die dann die minimale Leiterbahnbreite festlegen. So wird beim Routen im Allegro PCB Editor automatisch die entsprechende Breite verwendet. Der Vorteil von echten Leiterbahnen ist, dass sie sich über den Design Rule Check (DRC) prüfen lassen. Zentrale Regeln wie „3 Amps“ oder „6 Amps“ sind schnell zugewiesen und stellen später ein fehlerfreies und komplett dokumentiertes Design dar. Wenn Leiterbahnen mit unterschiedlicher Breite Verwendung finden, können keine Vias unbeabsichtigt in die Leitung gesetzt werden.

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