Wer Ströme für elektrische Antriebe und Stromversorgungen mit intelligenter Elektronik steuern will, muss den Spagat zwischen Leistungselektronik und Mikroelektronik meistern. Dieser Artikel beschreibt verschiedene Varianten einer einzigartigen und vielfältigen Hochstrom-Leiterplattentechnologie, die für Ströme bis 1,000 A geeignet ist. Herzstück dieser Technologie sind eingebettete Kupferschienen, die aus der Oberfläche herausragen, um SMDs und andere Leistungsbauteile zu kontaktieren.
Um die Lücke zwischen Hochstromleitern einerseits und elektronischen Bauteilen andererseits zu schließen, sind in der Regel zahlreiche Kabel, Montagematerialien und Interposer erforderlich, insbesondere bei der Verwendung von SMDs. Ziel ist die Integration von Stromschienen in Leiterplatten, um Bauvolumen und Montageaufwand für Systeme zu sparen und die Ansteuer- und Versorgungsströme sowie die elektronische Steuerung zu bündeln.
Es gibt eine Reihe von Leiterplattentechnologien, die speziell für Leistungsanwendungen entwickelt wurden. Dazu gehören Multilayer mit erhöhten Kupferschichtdicken von bis zu 400 Mikrometern, die in höheren Lagen eingeebnet werden können. Darüber hinaus werden verschiedene Techniken angeboten, die auf einer selektiven Erhöhung des Kupferquerschnitts basieren, wie beispielsweise die Eisbergtechnik, die Drahtlegetechnik und die partielle Einbettung dicker Kupferlaminate.
Antriebstechnik: Hochstrom-Leiterplatte für Motorsteuerungen optimieren
In diesem Artikel werden drei Leiterplattentechnologien für Hochstromplatinen verglichen: Dickschicht, Iceberg und HSMtec. Leiterplattentopologie und Leiterplattendesign beeinflussen die Strombelastbarkeit und Wärmeableitung der Leistungshalbleiter.
Es stehen geeignete Technologien zur Verfügung, um Lastkreis und Feinleiter für Logiksignale auf einer FR4-Platine zu vereinen. Das spart Platz und vermeidet die konventionelle Anschlusstechnik mit separaten Platinen, was die Zuverlässigkeit der Motorsteuerung erhöht. Der Leiterplattenentwickler kann Strombelastbarkeit und Wärmeableitung der Leistungshalbleiter entsprechend seiner Aufgabenstellung optimieren.
Aus Sicht der Leiterplatte lassen sich die Spezifikationen der Ansteuerelektronik in fünf Punkten zusammenfassen: 1) Hohe Integrationsdichte, 2) Zuverlässigkeit der elektronischen Baugruppe, 3) Schnelle Wärmeableitung, 4) Hohe Ströme kombiniert mit Ansteuerelektronik und 5) Reduzierte Systemkosten, z. B. durch Umstellung auf SMD-Bauteile, weniger Bauteile oder Bestückungsprozesse.
Eine clevere Lösung besteht darin, Leistungsteil und Steuerelektronik, also Lastkreise und Steuerlogik, statt auf zwei Leiterplatten auf nur einer zu vereinen. Dies erfordert allerdings große Leiterquerschnitte und große Isolationsabstände für die Hochstromleiter und gleichzeitig feine Leiterstrukturen für die Steuerung auf ein und derselben Platine. Dadurch entfallen teure Steckverbindungen, Kabel und Stromschienen sowie Montageschritte und -risiken, die die Zuverlässigkeit einschränken. Der Leiterplattenspezialist KSG verfügt hierfür über drei Technologien: Dickkupfer-, Iceberg- und HSMtec-Technologie. Alle drei Verfahren nutzen das Standard-Basismaterial FR4.
Sicherer Kontakt mit Hochstrom-Leiterplatten
Allen Technologien ist eines gemeinsam: Zwischen den Lagen der Hochstromleiterplatte und den Anschlüssen für oberflächenmontierte Bauteile oder Schraubverbindungen fehlt meist der erforderliche Querschnitt. Die Vias bilden einen Engpass für die gewünschten Ströme. Auch Einpressstopfen, Schrauben und Klemmen gewährleisten keinen zuverlässigen Kontakt zu den Lagen. Erst das saubere Verlöten der Anschlüsse stellt eine durchgängige Verbindung von den Bauteilen zu allen Lagen her. Dabei gilt allerdings: Je höher die Gesamtkupferdicke, desto riskanter ist das Eindringen von Lot.
Im Gegensatz dazu kontaktiert die Hochstromleiterplatte, unabhängig von der Bauform, die Bauteile und Anschlüsse mit dem maximalen Leiterquerschnitt (Abbildung 2 unten). So lassen sich SM- und THT-Bauteile mit geklebten Leistungshalbleitern, Einpresskontakten und Schraubverbindungen kombinieren, ohne dass es zu Engpässen im Strompfad kommt. Gleichzeitig dient die Stromschiene als Kühlkörper. Die Bauteile stehen in direktem Kontakt mit dieser thermischen Masse und werden dadurch optimal gekühlt.
Design, Produktion und Verarbeitung von Hochstrom-Leiterplatten
Im Vergleich zu herkömmlichen Stromschienen aus der Elektrotechnik werden für die Hochstromleiterplatte individuell geformte Kupferteile verwendet. Form und Position der Kupferteile sind frei definierbar. Dies gibt dem Layouter die Freiheit, die Bauteile und Anschlüsse so zu platzieren, dass ein kompaktes Modul mit optimierten thermischen und elektrischen Funktionen entsteht.
Da jedes Hochstromprojekt seine eigenen Besonderheiten aufweist, ist es schwierig, allgemeine Designregeln festzulegen. Abhängig von Größe und Form der Kupferteile und Isolationsschienen müssen die Designgrenzen für jedes Projekt geprüft werden. Richtwerte bieten eine grobe Orientierung für die Auslegung.
Zur Herstellung einer Hochstrom-Leiterplatte werden zunächst die Kupferteile hergestellt. Je nach Größe, Form und Anzahl der Teile geschieht dies durch Ätzen, Fräsen oder Stanzen. Die Kupferteile werden in vorgefräste Rahmen eingelegt und anschließend mit Prepregs und ggf. weiteren Schichten verpresst.
Ein Vorteil der Hochstromleiterplatte ist die Verarbeitung. Durch die eingebetteten Stromschienen ist die Hochstromleiterplatte – abgesehen vom Gewicht – äußerlich nicht von anderen Leiterplatten zu unterscheiden. Sie lässt sich in konventionellen SMD-Prozessen verarbeiten, sofern das Profil auf die höhere thermische Masse eingestellt ist. Erfahrungsgemäß lassen sich diese Lötprozesse gut beherrschen. Ein Reparaturprozess für Bauteile, die in direkten Kontakt mit der Hochstromschiene kommen, gestaltet sich hingegen aufwändiger als bei konventionellen Flachbaugruppen.
Technologievarianten von Hochstrom-Leiterplatten
Das volle Potenzial der Hochstrom-Leiterplatte wird deutlich, wenn man die möglichen Variationen betrachtet.
Den größten Nutzen bietet die Technologie, wenn die Kupferteile so geformt sind, dass sie bis zur Oberfläche reichen und bündig mit den anderen Pads auf TOP und/oder BOT abschließen (Abb. 1). Dadurch entsteht eine komplett flache Leiterplatte, die im anschließenden Pastendruck- und Bestückungsprozess ohne Anpassung weiterverarbeitet werden kann. Kabelschuhe, Module und schraubbare Bauteile lassen sich zudem einfacher an der Hochstromposition anschließen.
Bei einer weiteren Variante der Technologie ragt die Hochstromschicht seitlich aus dem Rand der Leiterplatte heraus. Diese Kontakte können direkt als Stecker genutzt oder wie das Ende einer konventionellen Stromschiene kontaktiert werden.
Die nächsten beiden Varianten der Hochstrom-PCB-Leiterplatte konzentrieren sich weniger auf hohe Ströme als auf die Kühlung von Bauteilen.
Besitzen die Kupferteile sowohl oben als auch unten SMD-Anschlussflächen, funktionieren sie wie herkömmliche Leiterplatten-Inlays, die in die Aussparungen der Leiterplatten eingepresst werden, um die Wärme der Leistungsbauteile von oben nach unten abzuleiten. Die eingebetteten Kupferteile (Abb. 9) unterscheiden sich von herkömmlichen Inlays durch höhere Fertigungs- und Verarbeitungssicherheit, da keine mechanische Spannung auf der Leiterplatte entsteht. Zudem sind Größe und Position der Pads unabhängig voneinander wählbar. Auch eine elektrische Verbindung ist ohne zusätzlichen Aufwand möglich.
Die letzte Variante der Hochstromplatine ist eine einseitige Ausführung (Abbildungen 10 und 11). Hierbei ragen erhabene Pads aus Kupferblech durch die Isolierung einer dünnen Isolationsschicht, um anschließend als SMD-Kühlkontakte direkt mit den entsprechenden Bauteilanschlüssen kontaktiert zu werden. Im Gegensatz zu Aluminiumsubstraten aus IMS verfügt diese Ausführung über keine Isolationsschicht, sodass hier deutlich höhere Leistungen abgeführt werden können. Solche Konstruktionen werden unter anderem für Hochleistungs-LEDs mit bis zu 10 W eingesetzt.
Mit der Hochstromplatine, MOKO-Technologie erweitert sein Technologieangebot im Bereich Thermomanagement um einen weiteren wichtigen Baustein:
Massives Kupfer wird in die Leiterplatte eingebettet und kann direkt auf SMD-Pads montiert werden, die bis zur Oberfläche reichen.
Aufbau einer SMD-Hochstromplatine
Die Hochstromleiterplatte kann auch mit anderen Aufbau- und Verbindungstechniken kontaktiert werden:
– Reflow-/Wellenlöten SMD / THT- Aluminiumdrahtbonden
– Schrauben: Ösen / Gewindelöcher
– Sacklöcher aus den Außenschichten
– Hochstromstecker in Einpresstechnik
Der Mehraufwand zur Herstellung von Hochstromleiterplatten lässt sich in vielen Fällen teils durch speziell implementierte Fertigungsverfahren, teils durch eine optimierte Prozessführung von Standardprozessen reduzieren.
Dicke Kupferleiterplatten verteilen die Leistungsverluste horizontal
Die Dickkupfertechnologie ist seit vielen Jahren am Markt etabliert und wird in großen Stückzahlen gefertigt. Die Leiterplattenindustrie spricht üblicherweise bei Kupferstrukturen von Dickkupfer mit einer Dicke von ≥105 µm von Dickkupfer. Dickkupferleiter dienen der besseren horizontalen Wärmeverteilung hoher Verlustleistungen von Leistungsbauelementen und/oder dem Transport hoher Ströme und ersetzen Stanzbiegekonstruktionen für Stromschienen in Hochstrom-Leiterplattenanwendungen. Mit bis zu vier Innenlagen mit jeweils 400 µm Kupfer ist eine Strombelastbarkeit von mehreren hundert Ampere möglich. Idealerweise befinden sich die Dickkupferleiter in den Innenlagen.
Flexibilität bei Layoutänderungen, kompakte Bauweise, einfache Verarbeitung/Bestückung und vergleichsweise geringe Änderungskosten sowie die Standardprozesse der Leiterplattenindustrie sprechen für die Dickkupfer-Leiterplatte. Obwohl sich die Prozessschritte einer Dickkupfer-Leiterplatte nicht wesentlich vom Standarddurchsatz einer konventionellen Leiterplatte unterscheiden, erfordert die Herstellung spezielle Prozesserfahrung und -management. Eine Dickkupfer-Leiterplatte verweilt 10- bis 15-mal länger in der Ätzlinie und weist ein typisches Ätzprofil auf. Die Ätz- und Bohrprozesse der Dickkupfer-Leiterplatte bestimmen die Designregeln für den Schaltplan und müssen eingehalten werden. Der Leiterplattenhersteller verfügt über eine Liste mit Vorschlägen für kosten- und prozessoptimierte Lagenaufbauten und Designregeln.
Wichtig zu wissen: FR4-Laminate mit einer Basiskupferkaschierung ≥105 µm sind aufgrund des hohen Kupferanteils teurer. Im Vergleich zu einem beidseitig kaschierten Standardlaminat mit 18 µm liegt der Materialkostenfaktor bei etwa 1:8 bis 1:10. Der Leiterplattenentwickler muss daher auf eine maximale Materialausnutzung achten. Eine frühzeitige Abstimmung mit dem Leiterplattenhersteller hilft, die Kosten deutlich zu senken. Im Hinblick auf die Miniaturisierung stößt die Dickkupfertechnologie an ihre Grenzen. Aufgrund der starken Unterätzung lassen sich nur relativ grobe Strukturen erzeugen. Eine weitere Einschränkung: Feine Signalverdrahtungen sind nicht auf derselben Verdrahtungsebene wie die Dickkupferleiterbahn möglich.
Eisberg: für eine gleichmäßige Oberflächentopographie
In einer Verdrahtungsebene befinden sich Bereiche mit 70 bis 100 µm Kupfer für die Logik und Bereiche mit bis zu 400 µm Kupfer für die Last. Das Dickkupfer ist größtenteils in der Leiterplatte versenkt. Dadurch entsteht eine gleichmäßige Oberflächentopographie über das gesamte Leiterbild. Das Eisbergprinzip lässt sich auch mit Dickkupfer auf den Innenlagen kombinieren.
Durch die Einbettung von zwei Dritteln der 400 µm dicken Kupferfläche in das Basismaterial entsteht eine planare Leiterplattenoberfläche. Vorteil: Die Leiterbahnflanken lassen sich in nur einem Gießvorgang zuverlässig mit einer Lötstoppmaske abdecken. Die anschließende Bestückung erfolgt auf einer Ebene. Eisbergstrukturen eignen sich auch als Kühlkörper für Leistungsbauelemente und können zur Optimierung des Wärmemanagements mit Durchkontaktierungen (Vias) kombiniert werden.
HSMtec: Kupferelemente in den Innen- und Außenlagen
Eine weitere Möglichkeit, Last und Logik auf einer Leiterplatte zu vereinen, ist HSMtec. Dabei werden massive Kupferelemente gezielt in die Innenlagen und unter die Außenlagen des FR4-Multilayers an den Stellen eingebaut, an denen hohe Ströme fließen, und mittels Ultraschall mit dem Basiskupfer der geätzten Leiterbahnen verbunden. Nach dem Verpressen der Lagen befinden sich die Kupferprofile unter den Außenlagen und/oder in den Innenlagen des Multilayers. Der Rest der Leiterplatte bleibt unberührt.
Der Multilayer wird im Standardfertigungsprozess hergestellt und im üblichen Bestückungs- und Lötprozess weiterverarbeitet. Mit diesem Aufbau lassen sich die elektrischen Spezifikationen hinsichtlich Spannungsfestigkeit und Isolationsklassen von Maschinen ebenso bedienen wie anspruchsvolle Temperaturbedingungen bei begrenztem Bauraum in Fahrzeugen.
Die massiven Kupferprofile im Inneren des Multilayers ermöglichen auch dreidimensionale Aufbauten. Durch Kerbfräsungen senkrecht zu den Kupferprofilen lassen sich Segmente der Leiterplatte um bis zu 90° biegen. So wird Bauraum clever genutzt und hohe Ströme sowie Wärme über die Biegekante abtransportiert. Der Aufbau wird als zweidimensionale Leiterplatte ausgelegt, gefertigt und im Nutzen bestückt. Nach der Bestückung bzw. Montage des Moduls wird die Leiterplatte in die dreidimensionale Form gebogen.
Die Software unterstützt Entwickler bei der Dimensionierung von Hochstromleiterbahnen. Mit nur wenigen Eingaben wie Stromstärke und Temperatur liefert der Rechner die minimale Leiterbreite für HSMtec sowie für 70 und 105 µm Kupferummantelungen.
