Dreidimensionale Leiterplatte Effizientes Wärmemanagement hat oberste Priorität

Beispiel für eine „eCube“ genannte Würfelkonstruktion.
Beispiel für eine „eCube“ genannte Würfelkonstruktion.

Die Automobilelektronik stellt die Wärmebeständigkeit einer Leiterplatte auf eine harte Probe: Hohe Umgebungstemperaturen und hohe Ströme, die auf die Baugruppe einwirken, verlangen nach intelligenten Wärmemanagement-Lösungen, um resultierende Verlustwärme von Hochleistungsbauteilen rasch abzuführen. Die Leiterplattentechnik HSMtec schafft mehrdimensionale Abhilfe.

Zur Validierung dreidimensionaler Leiterplatten-Aufbauten starteten Continental Automotive, Häusermann und andere Forschungspartner das Projekt EMC-CubusLay mit dem Ziel, eine dreidimensionale würfel- oder quaderförmige Leiterplatte zu entwickeln, die auf einem vorhandenen Continental-Standardleiterplatten-Layout für eine Motorsteuerung basiert. Gleichwohl sollte es auch weiterhin möglich sein, die Bauteile und Komponenten einer elektronischen Baugruppe auf einer Bestückungslinie mit dem vorhandenen Bestückungs-Equipment zu bestücken. Erst anschließend sollte die bestückte Leiterplatte an den definierten Knickkanten gefaltet werden. Die hierbei zusammengefügten Stoßkanten werden danach elektrisch und mechanisch verbunden. Nach dem Verbinden der Kanten wurde in einem Platzierungsprozess der Quader auf der Basisplatte positioniert und sowohl elektrisch als auch mechanisch zusammengefügt. Die Verbindung zur Basisplatine erfolgt über einen Aufbau, der einem Ball Grid Array ähnelt.

Mehrdimensionaler Platinenaufbau

Eine der größten Herausforderungen in diesem Projekt waren die Knick- und Stoßkanten, vor allem in Anbetracht des mechanischen und elektrischen Verhaltens. Zwar gibt es etablierte Verfahren wie Starrflex oder Tiefenfräsung, jedoch unterscheidet sich HSMtec von diesen durch ihre mehrdimensionalen Konstruktionsmöglichkeiten.

Im Gegensatz zu den anderen Aufbauten lassen sich mit der neuen Fertigungstechnik sehr enge Radien biegen, welche die nötigen hohen Ströme über die Biegekante hinweg führen. Die derzeit auf dem Markt befindlichen Verfahren und Tools sind dabei auf flächige Leiterplatten ausgelegt, daher sind Entwurf und Validierung von gefalteten Leiterplatten mit den gegebenen Werkzeugen sehr aufwendig. 3D-Baugruppen sind auch interessant, wenn es darum geht, Semiflex-Aufbauten oder Leiterplattenverbindungen über Stecker zu ersetzen. Im einfachsten Fall wird ein Teil der Leiterplatte nach dem Bestücken abgewinkelt und beim Einbau ins Gehäuse in dieser Position fixiert. Dadurch sinkt der Anteil an Kabel-, Steck- oder sonstigen mechanischen Verbindungen signifikant, was sowohl die  Zuverlässigkeit der Anwendung als auch deren Lebensdauer erhöht.

Kerbfräsungen an den Sollbiegestellen sorgen dafür, dass sich einzelne Segmente durch beliebige Einstellung des Neigungswinkels in die gewünschte Ausrichtung bringen lassen. Bei der eCube genannten Würfelkonstruktion (Bild 1) erfolgt durch das Verlegen von Runddrähten unter der ersten Lage (Außenlage) eine elektrische Verbindung zwischen zwei oder mehreren Schaltungseinheiten. Dabei reicht der Biegeradius bis zu 90°, und sogar leichte Justierbewegungen für die Endmontage sind möglich. Die flexibel ausrichtbaren Platinensegmente erweisen sich als sehr stabil, so dass sich der Neigungswinkel auch bei starken Vibrationen nicht ändert. Zudem ist es möglich, die Biegekante je nach Anwendungsfall nach der Biegung im Einbauzustand gegen Umwelteinflüsse zu schützen.