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Applikationsbericht

Motorsteuerung für Kühlgebläse integriert Power und Logik

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Automotive-zertifiziertes Standardgehäuse

Das Ziele war klar definiert: Systemkosten reduzieren. Auf keinen Fall durften die Serien- und Entwicklungskosten zu hoch sein. Deshalb hat das technosert-Team nach einem Standardgehäuse gesucht, das für den Automotive-Einsatz zertifiziert ist, die Ansprüche der Nutzfahrzeugbauer erfüllt und es den Entwicklern ermöglicht, die Baugruppe zu entwärmen.

Nach längerer Suche kam nur ein einziges Gehäuse in Frage, das jedoch einen großen Nachteil hat: Es besteht fast ausschließlich aus Kunststoff und hat nur stehend verbaute Kühlkörper. Für die Motorsteuerung bedeutet das eine erhöhte Leistungsdichte im Kunststoffgehäuse. Die Wärme der Leistungsbauteile muss an den Rahmen des Gehäuses abgegeben werden. Das dichte Hochstromnetz sollte zudem mit einer Steuerelektronik kombiniert werden.

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Thermosensoren an den Leistungshalbleitern überwachen die Temperatur und regeln die Lüfterdrehzahl. Gelöst wurde die Aufgabe mit der HSMtec-Leiterplatte. Beim HSMtec-Verfahren sind 500 µm dicke Kupferelemente in den Innenlagen des Multilayers verlegt. Die Kupferelemente werden per Ultraschallverbindungstechnik stoffschlüssig mit den geätzten Leiterbildern verbunden.

Nach dem Verpressen der Lagen befinden sich die Kupferprofile im FR4-Multilayer. Die integrierten Kupferelemente übertragen Ströme von bis 400 A und drosseln zudem die Hitzeentwicklung zügig auf zulässige Partial- und Systemtemperaturen.

Ein Blick auf die spezifische Wärmeleitfähigkeit zeigt die Bedeutung des durchgängig metallischen Pfades von der Quelle bis zur Senke und das Potenzial von HSMtec. Kupfer leitet Wärme 1000-fach besser als FR4. Durch die intelligente Kombination von integrierten Kupferprofilen mit Thermo-Vias ist es möglich, die Leistungsbauteile direkt mit den Kupferprofilen zu verbinden und Engpässe im thermischen Pfad zu vermeiden.

Ein wärmetechnisch optimierter Lagenaufbau sorgt zusätzlich für rasche Wärmespreizung und unterstützt das gesamte thermische Konzept. Ein Praxisbeispiel zeigt dies anschaulich: Die Stromtragfähigkeit einer Leiterbahn kann sich verdoppeln, wenn sich zwei Masse-Innenlagen darunter befinden, die keine Eigenerwärmung haben.

Ein weiteres Beispiel zeigt das Potenzial von Thermo-Vias: 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.

Die effektive Wärmeleitfähigkeit einer solchen FR4-Fläche erhöht sich mit dieser Design-Maßnahme auf 30 W/m K. Damit ist diese Konstruktion hundertmal besser wärmeleitend als FR4 und noch zehnmal besser leitend als die besten Wärmeleitsubstrate. HSMtec wurde von unabhängigen Prüfinstituten qualifiziert und setzt auf übliches FR4-Material. Zudem wird es im Standard-Herstellungsprozess gefertigt und lässt sich im üblichen Bestückungs- und Lötprozess weiterverarbeiten.

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