Wil je de stroom voor elektrische aandrijvingen en voedingen regelen met intelligente elektronica? Dan moet je de balans vinden tussen vermogen en micro-elektronica. Dit artikel beschrijft verschillende varianten van een unieke en veelzijdige PCB-technologie met hoge stroomsterkte, geschikt voor stromen tot 1,000 A. De kern van deze technologie wordt gevormd door ingebedde koperen staven die uit het oppervlak steken om contact te maken met SMD's en andere vermogenscomponenten.
Om de kloof tussen hoogstroomgeleiders enerzijds en elektronische componenten anderzijds te dichten, zijn doorgaans een aantal kabels, montagematerialen en tussenstukken nodig, vooral als SMD's worden gebruikt. Het doel is om busbars in printplaten te integreren om bouwvolume en montage-inspanning voor systemen te besparen en de aandrijf- en voedingsstromen en elektronische besturingen te combineren.
Er zijn een aantal printplaattechnologieën die speciaal zijn ontworpen voor toepassingen in de energiesector. Deze omvatten multilayers met een verhoogde koperlaagdikte tot wel 400 micrometer, die bij hogere lagen geëgaliseerd kunnen worden. Daarnaast worden verschillende technieken aangeboden die gebaseerd zijn op een selectieve vergroting van de koperdoorsnede, zoals de ijsbergtechniek, de wire laid-techniek en het gedeeltelijk inbedden van dikke koperlaminaten.
Aandrijftechnologie: Optimaliseer hoge stroom PCB voor motorbesturingen
In dit artikel worden drie PCB-technologieën voor printplaten met hoge stroomsterkte vergeleken: Dickschicht, Iceberg en HSMtec. PCB-topologie en PCB-ontwerp beïnvloeden de stroomdoorvoercapaciteit en warmteafvoer van de vermogenshalfgeleiders.
Er zijn geschikte technologieën beschikbaar om de belastingsschakeling en de fijngeleider voor logische signalen op een FR4-printplaat te combineren. U bespaart ruimte en vermijdt de conventionele verbindingstechnologie met aparte printplaten, wat de betrouwbaarheid van de motorbesturing verhoogt. De printplaatontwikkelaar kan de stroombelastbaarheid en warmteafvoer van de vermogenshalfgeleiders optimaliseren op basis van zijn taak.
Vanuit het oogpunt van de printplaat kunnen de specificaties van de aandrijfelektronica worden samengevat in vijf punten: 1) hoge integratiedichtheid, 2) betrouwbaarheid van de elektronische assemblage, 3) snelle warmteafvoer, 4) hoge stromen in combinatie met regelelektronica en 5) lagere systeemkosten, bijvoorbeeld door overschakeling op SMD-componenten, minder componenten of assemblageprocessen.
Een slimme oplossing is om het vermogensgedeelte en de besturingselektronica, oftewel de belastingscircuits en de besturingslogica, te combineren in plaats van op twee printplaten op slechts één printplaat. Dit vereist echter grote geleiderdoorsneden en grote isolatieafstanden voor de hoogstroomgeleiders en tegelijkertijd fijne geleiderstructuren voor de besturing op één en dezelfde printplaat. Dit elimineert dure stekkerverbindingen, kabels en busbars, evenals assemblagestappen en risico's die de betrouwbaarheid beperken. PCB-specialist KSG beschikt hiervoor over drie technologieën: dikkoper-, ijsberg- en HSMtec-technologie. Alle drie de processen maken gebruik van het standaard basismateriaal FR4.
Veilig contact met hoge stroom PCB
Al deze technologieën hebben één ding gemeen: er is meestal niet voldoende doorsnede tussen de lagen van de printplaat voor hoge stroomsterktes en de aansluitingen voor opbouwcomponenten of schroefverbindingen. De via's vormen een knelpunt voor de stromen van de gewenste grootte. En ook de inperspluggen, schroeven en klemmen garanderen geen betrouwbaar contact met de lagen. Alleen het schoon solderen van de verbindingen vormt een ononderbroken verbinding van de componenten naar alle lagen. Hierbij geldt echter: hoe hoger de totale koperdikte, hoe riskanter de soldeerdoorslag.
Daarentegen maakt de hoogstroomprintplaat, ongeacht het ontwerp, contact met de componenten en aansluitingen met de maximale geleiderdoorsnede (zie figuur 2 hieronder). Zo kunnen SM- en THT-componenten worden gecombineerd met gelijmde vermogenshalfgeleiders, inperscontacten en schroefverbindingen zonder dat er een knelpunt in het stroompad ontstaat. Tegelijkertijd fungeert de busbar als koellichaam. De componenten staan in direct contact met deze thermische massa en worden daardoor optimaal gekoeld.
Ontwerp, productie en verwerking van PCB's met hoge stroomsterkte
Vergeleken met conventionele stroomrails uit de elektrotechniek worden voor de hoogstroomprintplaat individueel gevormde koperen onderdelen gebruikt. De vorm en positie van de koperen onderdelen zijn vrij te bepalen. Dit geeft de ontwerper van de lay-out de vrijheid om de componenten en aansluitingen zo te plaatsen dat een compacte module met geoptimaliseerde thermische en elektrische functies ontstaat.
Omdat elk hoogstroomproject zijn eigen kenmerken heeft, is het moeilijk om algemene ontwerpregels vast te stellen. Afhankelijk van de grootte en vorm van de koperen onderdelen en isolatiestaven, moeten de ontwerpgrenzen voor elk project worden gecontroleerd. Richtwaarden bieden een ruwe leidraad voor het ontwerp.
Om een PCB met hoge stroomsterkte te produceren, worden eerst de koperen onderdelen vervaardigd. Afhankelijk van de grootte, vorm en het aantal onderdelen gebeurt dit door middel van etsen, frezen of ponsen. De koperen onderdelen worden in voorgefreesde frames geplaatst en vervolgens geperst met prepregs en eventueel andere lagen.
Een voordeel van de hogestroom-printplaat is de verwerking. Doordat de busbars ingebed zijn, is de hogestroom-printplaat – afgezien van het gewicht – aan de buitenkant niet te onderscheiden van andere printplaten. Hij kan worden verwerkt in conventionele SMD-processen als het profiel is ingesteld op de hogere thermische massa. De ervaring leert dat deze soldeerprocessen goed te beheersen zijn. Een reparatieproces voor componenten die direct in contact komen met de hogestroomrail is daarentegen complexer dan bij conventionele vlakke assemblages.
Technologievarianten van hogestroom-PCB
Het volledige potentieel van de PCB-plaat met hoge stroomsterkte wordt duidelijk als u de mogelijke variaties bekijkt.
De technologie biedt het grootste voordeel als de koperen onderdelen zo gevormd zijn dat ze het oppervlak bereiken en gelijk liggen met de andere pads op TOP en/of BOT (Fig. 1). Dit resulteert in een volledig vlakke printplaat die zonder aanpassingen verder bewerkt kan worden in het daaropvolgende pastaprint- en assemblageproces. Kabelschoenen, modules en schroefbare componenten zijn bovendien gemakkelijker aan te sluiten op de hoogstroompositie.
In een andere versie van de technologie steekt de hoogstroomlaag zijdelings uit de rand van de printplaat. Deze contacten kunnen direct als stekker worden gebruikt of kunnen worden gecontacteerd zoals het uiteinde van een conventionele busbar.
De volgende twee varianten van de PCB-printplaat met hoge stroomsterkte richten zich meer op hoge stromen dan op het koelen van componenten.
Als de koperen onderdelen zowel boven als onder SMD-aansluitvlakken hebben, werken ze als conventionele printplaatinlays, die in de uitsparingen van printplaten worden gedrukt om warmte van de vermogenscomponenten van TOP naar BOT te geleiden. De ingebedde koperen onderdelen (Fig. 9) onderscheiden zich van conventionele inlays doordat ze betrouwbaarder zijn in productie en verwerking, omdat er geen mechanische spanning op de printplaat staat. Bovendien kunnen de grootte en positie van de pads onafhankelijk van elkaar worden gekozen. Ook een elektrische verbinding is zonder extra moeite mogelijk.
De laatste variant van de hogestroom-printplaat is een eenzijdige uitvoering (figuren 10 en 11). Hierbij steken verhoogde koperen contactpunten door de isolatie van een dunne isolatielaag, om vervolgens als SMD-koellichaamcontacten direct contact te maken met de bijbehorende componentaansluitingen. In tegenstelling tot aluminium substraten van IMS heeft deze uitvoering geen isolatielaag, waardoor hier aanzienlijk hogere vermogens kunnen worden gedissipeerd. Dergelijke uitvoeringen worden onder andere gebruikt voor krachtige leds met maximaal 10 W.
Met de hoge-stroom printplaat, MOKO-technologie breidt haar aanbod van technologieën op het gebied van thermisch beheer uit met een nieuw belangrijk onderdeel:
Massief koper is in de printplaat verwerkt en kan direct op de SMD-pads worden aangebracht die tot aan het oppervlak reiken.
Structuur van een SMD-hoogstroomprintplaat
De hogestroomprintplaat kan ook met andere montage- en verbindingstechnologieën worden gecontacteerd:
– Reflow/golf solderen SMD/THT- Aluminium draadverbinding
– Schroeven: ogen / schroefgaten
– Blinde gaten van de buitenste lagen
– Hoge stroomconnector met perspassingtechnologie
In veel gevallen kan de meerkost voor de productie van hoogstroom-PCB’s deels worden verminderd door speciaal geïmplementeerde productieprocessen en deels door geoptimaliseerde procesbesturing van standaardprocessen.
Dikke koperen printplaten verdelen de vermogensverliezen horizontaal
Dikke kopertechnologie is al jaren op de markt en wordt in grote hoeveelheden geproduceerd. De PCB-industrie spreekt doorgaans van dik koper voor koperstructuren ≥ 105 µm. Dikke koperen geleiders zorgen voor een betere horizontale warmteverdeling bij hoge vermogensverliezen van vermogenscomponenten en/of voor het transport van hoge stromen en vervangen gestanste en gebogen constructies voor busbars in PCB-toepassingen met hoge stromen. Met maximaal vier binnenlagen, elk met 400 µm koper, is een stroombelastbaarheid van enkele honderden ampères mogelijk. Idealiter bevinden de dikke koperen geleiders zich in de binnenlagen.
Flexibiliteit voor lay-outwijzigingen, het compacte ontwerp, de eenvoudige verwerking/montage en de relatief lage wijzigingskosten, evenals de standaardprocessen van de PCB-industrie, spreken in het voordeel van de dikke koperen PCB. Hoewel de processtappen van een dikke koperen printplaat niet significant verschillen van de standaarddoorvoer van een conventionele printplaat, vereist de productie speciale proceservaring en -management. Een dikke koperen printplaat blijft 10 tot 15 keer langer in de etslijn en heeft een typisch etsprofiel. De ets- en boorprocessen van de dikke koperen printplaat bepalen de ontwerpregels voor het schakelschema en moeten in acht worden genomen. De PCB-fabrikant heeft een lijst met suggesties voor kosten- en procesgeoptimaliseerde laagopbouw en ontwerpregels.
Belangrijk om te weten: FR4-laminaten met een basiskopermantel ≥ 105 µm zijn duurder vanwege het hoge kopergehalte. Vergeleken met een standaardlaminaat dat aan beide zijden met 18 µm is gelamineerd, bedraagt de materiaalkostenfactor ongeveer 1:8 tot 1:10. De PCB-ontwikkelaar moet letten op maximaal materiaalgebruik. Vroegtijdige afstemming met de PCB-fabrikant helpt de kosten aanzienlijk te verlagen. Wat miniaturisatie betreft, is de dikke kopertechnologie beperkt. Door de sterke undercut kunnen slechts relatief grove structuren worden gecreëerd. Een andere beperking: fijne signaalbedrading is niet mogelijk op hetzelfde bedradingsniveau als de dikke kopergeleider.
IJsberg: voor een uniforme oppervlaktetopografie
Op bedradingsniveau zijn er zones met 70 tot 100 µm koper voor de logica en zones met maximaal 400 µm koper voor de belasting. Het dikke koper is grotendeels verzonken in de printplaat. Dit zorgt voor een uniforme oppervlaktetopografie over het gehele geleiderpatroon. Het ijsbergprincipe kan ook worden gecombineerd met dik koper op de binnenlagen.
Door twee derde van het 400 µm dikke koperoppervlak in het basismateriaal te integreren, ontstaat een vlak printplaatoppervlak. Voordeel: de flanken van de geleiders kunnen in slechts één gietproces betrouwbaar worden bedekt met een soldeermasker. De daaropvolgende assemblage is op één niveau mogelijk. IJsbergstructuren zijn ook geschikt als koellichamen voor vermogenscomponenten en kunnen worden gecombineerd met doorgemetalliseerde gaten (via's) om het thermisch beheer te optimaliseren.
HSMtec: koperelementen in de binnen- en buitenlagen
Een andere manier om belasting en logica op een printplaat te combineren is HSMtec. Hierbij worden massieve koperelementen selectief geïnstalleerd in de binnenste lagen en onder de buitenste lagen van de FR4-multilayer, op de plaatsen waar hoge stromen lopen, en ultrasonisch verbonden met het basiskoper van de geëtste geleiderpatronen. Na het persen van de lagen worden de koperprofielen onder de buitenste lagen en/of in de binnenste lagen van de multilayer geplaatst. De rest van de printplaat blijft onaangetast.
De multilayer wordt vervaardigd volgens het standaard productieproces en verder verwerkt in het gebruikelijke assemblage- en soldeerproces. Met deze structuur kan worden voldaan aan de elektrische specificaties voor de diëlektrische sterkte en isolatieklassen van machines, evenals aan veeleisende temperatuuromstandigheden met beperkte inbouwruimte in voertuigen.
De massieve koperen profielen in de multilayer maken ook driedimensionale constructies mogelijk. Door haaks op de koperen profielen te frezen, kunnen delen van de printplaat tot 90° worden gebogen. Zo wordt de inbouwruimte slim benut en worden hoge stromen en warmte over de buigrand getransporteerd. De constructie wordt als tweedimensionale printplaat uitgevoerd, geproduceerd en in het paneel gemonteerd. Na het monteren of assembleren van de module wordt de printplaat in de driedimensionale vorm gebogen.
De software ondersteunt ontwikkelaars bij het dimensioneren van geleiderbanen met hoge stroomsterkte. Met slechts enkele invoergegevens, zoals stroomsterkte en temperatuur, geeft de calculator de minimale draadbreedte voor HSMtec en voor koperen bekleding van 70 en 105 µm.
