Entwärmungskonzepte Hohe Ströme auf FR4-Leiterplatten

Oft stehen Entwickler von Antriebselektronik vor der Aufgabe: hohe Stromstärken, schnelle Entwärmung, stark begrenzter Bauraum und geringe Gesamtkosten. Der Lösungsansatz ist eine kompakte Leiterplatte für Leistungs- und Steuerelektronikmodule mit optimiertem Hochstrom- und Entwärmungskonzept.

Je anspruchsvoller die Vorgaben an die Leistungsbaugruppe, umso wichtiger wird die Leiterplatte. Unterm Strich senkt eine intelligente Leiterplattenkonstruktion, wie die HSMtec-Leiterplatten-Technologie beweist, die Gesamtkosten einer Baugruppe. Beim HSMtec-Verfahren werden 500 µm dicke Kupferelemente in den Innenlagen des Multilayer verlegt (Bild 1). Die integrierten Kupferelemente übertragen Ströme bis 400 A und drosseln die Hitze-Entwicklung zügig auf zulässige Partial- und Systemtemperaturen. Ein starkes Argument, das für die HSMtec-Leiterplatte spricht, ist das auf dem gesamten Leiterplattenmarkt verwendete Basismaterial FR4. Der FR4-Multilayer wird im Standard-Herstellungsprozess mit Standardmaterialien gefertigt und lässt sich daher im üblichen Bestückungs- und Lötprozess weiterverarbeiten.

Die Kupferelemente werden per Ultraschallverbindungstechnik stoffschlüssig mit dem Basiskupfer der geätzten Leiterbilder verbunden. Nach dem Verpressen der Lagen befinden sich die Kupferprofile im Inneren des Multilayer, wobei jede beliebige Innen- bzw. Außenlage möglich ist (Bild 2). Die übrige Leiterplatte bleibt davon unberührt. HSMtec ist nach DIN EN 60068-2-14 und JEDEC A 101-A qualifiziert und auditiert für Luftfahrt- und Automotive-Applikationen.

Die Kupferelemente kombinieren die Applikationsingenieure mit einem wärmetechnisch optimierten Lagenaufbau, der zusätzlich für eine rasche Wärmespreizung sorgt und das gesamte thermische Konzept unterstützt. Über Microvias bzw. Thermovias (durchkontaktierte Bohrungen) lassen sich Leistungshalbleiter auf der Leiterplatte mit den Kupferelementen in den Innenlagen direkt verbinden. Der durchgängige Pfad aus Kupfer von der Quelle bis zur Senke leitet Wärme 1000-fach besser als FR4. Auf einer Fläche von 10 mm × 10 mm ist es beispielsweise möglich, mehr als 1600 Microvias mit einem Durchmesser von 100 µm oder mehr als 400 durchkontaktierte Bohrungen mit einem Durchmesser von 250 µm zu platzieren, womit die Fläche dann einen Kupferanteil bis 12 Prozent aufweist. Mit dieser Designmaßnahme erhöht sich die effektive Wärmeleitfähigkeit dieser Verbindungsschicht auf auf einen Wert bis 18 W/m×K beim Einsatz von Thermovias bzw. bis 38 W/m×K bei Verwendung von Microvias.

 

Der Lösungsansatz mit HSMtec geht weit über die Wirkung normaler Masselagen in Multilayern hinaus, weil sich die massiven Kupferelemente additiv zu den Hochstromwegen in die jeweiligen Lagen einarbeiten lassen. Möglichst viel und richtig angeordnetes passives Kupfer beeinflusst die Stromtragfähigkeit der eigentlichen, stromführenden Bahnen jedoch äußerst positiv, da die Verlustleistung und Wärme innerhalb der Leiterplatte zusätzlich gespreizt werden kann. Ein Beispiel macht dies deutlich: Die Stromtragfähigkeit einer Leiterbahn verdoppelt sich annähernd, wenn zwei Masse-Innenlagen darunter liegen, die keine Eigenerwärmung haben (siehe Tabelle).