Leiterplatten-Design

Effizientes Wärmemanagement für Leistungselektronik

| Autor / Redakteur: Johann Hackl * / Franz Graser

Selektives Verfahren: Den Anforderungen für Hochstrom und Wärmemanagement entsprechend, lassen sich massive Kupferelemente als Profile oder Drähte in die Leiterplatte integrieren.
Selektives Verfahren: Den Anforderungen für Hochstrom und Wärmemanagement entsprechend, lassen sich massive Kupferelemente als Profile oder Drähte in die Leiterplatte integrieren. (Bild: Häusermann)

Immer mehr Schaltungen verlangen hohe Ströme. Neben Dickkupfer oder Stromschienen gibt es mit HSMtec eine effiziente Lösung, die massive Kupferelemente selektiv in die Leiterplatte integriert.

Moderne Leistungselektronik benutzt Komponenten wie Hochleistungs-LEDs, MOSFETs und IGBTs, die nach neuartigen Leiterplattentechnologien verlangen. Daher muss die Leiterplatte innerhalb eines elektronischen Systems hohen Strömen trotzen und für die Entwärmung hoch getakteter und hitzeproduzierender Prozessoren und wärmeverströmender Leistungsbauteile sorgen. Um etwa für Leistungsmodule eine hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer sicherzustellen, ist vom aufgelöteten Bauteil bis zum Kühlkörper eine optimale Wärmeabfuhr zu gewährleisten.

Häufige Ausfallursachen elektronischer Systeme sind die Temperatur, Vibrationen und Feuchtigkeit. Eine Herausforderung an das Leiterplattendesign ist deshalb die Umsetzung eines ausreichenden Wärmetransportes durch Wärmeableitung. Treibende Entwicklungskraft im Bereich Leiterplattentechnik sind zudem die immer weiter steigenden I/O-Zahlen und immer kleiner werdenden Pitches von digitalen integrierten Schaltungen.

Jedoch hat die Entwicklung von Leiterplatten-Technologien, die die Realisierung hoher Ströme und effektiver Entwärmungskonzepte ermöglichen, in vielen Phasen in Einbahnstraßen geführt. Zwar haben sich einige Technologien durchgesetzt, die in elektronischen Baugruppen Ströme im hohen zweistelligen und mittleren dreistelligen Bereich auffangen konnten. Dennoch konnten die konventionellen Lösungen die technischen Anforderungen meist nur in Teilen erfüllen. Ein wesentliches Manko der meisten dieser Techniken sind bislang die sehr hohen Realisierungskosten.

HSMtec heißt: Kupfer gezielt einsetzen

Aus dünner Kupferfolie geätzte Leiterbahnen bilden einen Engpass für hohe Ströme. Das Verbreitern der Leiterbahnen kostet Fläche und ist oft nicht realisierbar. Zudem ist der Querschnitt der Leiterbahnen bedingt durch die Höhe geätzter Leiterbahnen stark eingeschränkt. So behilft man sich sehr oft mit aufwändigen Techniken wie beispielsweise der Dickkupfertechnik. Anstatt jedoch Hochstromleiter etwa mit Hilfe der Dickkupfer-Ätztechnik zu strukturieren, ist es möglich, große Leiterquerschnitte durch einfaches Hinzufügen von Kupfer zu realisieren.

Ergänzendes zum Thema
 
Mehrdimensionale Leiterplatte

Das HSMtec-Verfahren geht hier selektiv vor: Nur dort, wo tatsächlich hohe Ströme durch die Leiterplatte fließen sollen, wird das massive Kupfer – als Profil oder in Drahtform – in die Leiterplatte integriert. Derzeit stehen 500 µm hohe Profile mit Breiten von 2,0 mm bis 12 mm in variabler Länge zur Verfügung. Bei Drähten hat sich der Durchmesser von 500 µm etabliert. Die 500 µm dicken Kupferelemente werden per Ultraschallverbindungstechnik stoffschlüssig mit den geätzten Leiterbildern verbunden. Dies ist in jeder beliebigen Lage eines auf FR4 basierenden Multilayers möglich. Mit HSMtec lassen sich also hohe Ströme und die Hitzeentwicklung zügig auf zulässige Partial- und Systemtemperaturen drosseln. Die integrierten Kupferelemente stemmen Ströme von bis zu 400 A.

Ein Blick auf die spezifische Wärmeleitfähigkeit zeigt die Bedeutung des durchgängig metallischen Pfades von der Quelle bis zur Senke und das Leistungspotential von HSMtec. Kupfer leitet Wärme 1000-fach besser als FR4. Durch die intelligente Kombination von integrierten Kupferprofilen mit Leiterplattentechnologien wie Micro- und Thermovias ist es möglich, eine direkte metallische Ankontaktierung der Lötflächen (Bauteile, Kühlkörper) an die Profile zu realisieren, wodurch sich Engpässe im thermischen Pfad vermeiden lassen.

Überblick: Die spezifische Wärmeleitfähigkeit unterschiedlicher Materialien
Überblick: Die spezifische Wärmeleitfähigkeit unterschiedlicher Materialien (Bild: Häusermann)

Ein wärmetechnisch optimierter Lagenaufbau sorgt zusätzlich für rasche Wärmespreizung und unterstützt somit das gesamte thermische Konzept. Ein Praxisbeispiel zeigt dies anschaulich: Die Stromtragfähigkeit einer Leiterbahn kann sich verdoppeln, wenn zwei Masseinnenlagen darunter liegen, die keine Eigenerwärmung haben. Ein weiteres Beispiel zeigt das Potenzial von Thermovias: Auf einer Fläche von 10 mm x 10 mm ist es möglich, mehr als 400 DK-Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,25 mm zu platzieren, womit die Fläche dann zu 10 % aus Kupfer besteht. Die effektive Wärmeleitfähigkeit einer solchen FR4-Fläche erhöht sich mit dieser Designmaßnahme auf 30 W/m•K. Damit ist diese Konstruktion hundertmal besser wärmeleitend als FR4 und noch zehnmal besser leitend als die besten Wärmeleitsubstrate.

Inhalt des Artikels:

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 40020960 / Leiterplattenfertigung)