Hochstrom-Leiterplatten Kupferdrähte onboard aufschweißen

Zahlreiche Industrie-Anwendungen benötigen viel Power – die meisten davon aber nur in wenigen Schaltungsbereichen, also auf begrenzten Flächen. Wenn zudem noch Steuerungslogik auf derselben Leiterplatte integriert werden muss, so spricht bei der Umsetzung Vieles für die Wirelaid-Technik.

Seit rund zwei Jahren hat Würth Elektronik die partielle Dickkupfertechnik Wirelaid im Portfolio und produziert diese in großen Serien. „Die patentierte, vielfach erprobte und global erhältliche Technik stellt genau dort Bereiche mit hohen Kupferquerschnitten zur Verfügung, wo sie auch gebraucht werden“, erklärt Andreas Schilpp (Bild 1), verantwortlicher Produktmanager für Wirelaid und Hochstromprodukte bei Würth Elektronik. Während des Produktionsprozesses werden in diesen Hochstrombereichen Kupferdrähte auf die Innenseite von leiterplattenüblichen Kupferfolien geschweißt, die anschließend während des Multilayer-Pressprozesses in den inneren Prepregschichten der Leiterplatte eingebettet werden. „Dieser Prozess führt zu einer ebenen und dünnen Kupferoberfläche wie bei ganz normalen Leiterplatten.

Deshalb können alle anderen Bereiche mit feinen Strukturen für Logikbauteile in Standard-Löttechnik versehen werden“, ergänzt Andreas Schilpp. Da die erforderlichen Kupferquerschnitte für die Hochstrombereiche bzw. die Entwärmungspfade hauptsächlich über die eingebetteten Drähte realisiert werden, können durch Verwendung dünner Kupferfolien bessere Designregeln für feine Strukturen und kleine Komponenten beim Leiterplattenlayout angewendet werden. Gleichzeitig bieten sich Chancen der Kostenreduktion auf Systemebene durch die Integration von Logikmodulen, die Einsparung von Kabel und Verbindungstechnik sowie eine Verkleinerung der Leiterplatte durch geringeren Flächenbedarf. Ein weiterer Vorteil ist: Im Gegensatz zu anderen Dickkupfertechniken, die oft herstellerspezifisch unterschiedlich sind und somit zur Abhängigkeit von wenigen oder sogar nur einem Lieferanten führen können, erfordert die Wirelaid-Technologie außer der Drahtschweißtechnik und den damit notwendigen Anpassungen im Leiterplattenherstellprozess keine Besonderheiten. Die Herstellerbasis ist damit weltweit gesichert. „Wir haben die Wirelaid-Design- und Auslegungsregeln in einem Design Guide zusammengestellt“, so Andreas Schilpp. „Grundsätzlich unterstützen wir unsere Kunden aber bei so komplexen Aufgaben auch immer persönlich bei der Entwicklung des Leiterplatten-Designs.“ Deshalb empfiehlt sich die frühzeitige Zusammenarbeit mit den Spezialisten von Würth Elektronik. So ist gewährleistet, dass die Integration der Technologie durch die Nutzung des bereits vorhandenen Wissens deutlich verkürzt wird.

Partielle Dickkupfertechnik im Technologie- und Kostenvergleich

Um die Entscheidung zu treffen, ob eine Standard-Dickkupfertechnik oder Wirelaid für eine Serienproduktion eingesetzt wird, ist es bereits zu einem frühen Zeitpunkt wichtig, eine belastbare Kostenabschätzung oder einen Kostenvergleich zu haben. Würth Elektronik stellt seinen Kunden dabei jeweils zwei Kostenvergleiche zur Verfügung. „So möchten wir unseren Kunden neben den technologischen Vorzügen auch noch die Kostenvorteile verdeutlichen“, erklärt Andreas Schilpp. Es werden den Kosten der 400-µm-Dickkupfertechnik stets zwei Wirelaid-Varianten für gleiche Stromtragfähigkeit gegenübergestellt. Und in beiden Fällen bestehen bis zu einer dedizierten Anzahl von Drahtverbindungen, die von Applikation zu Applikation verschieden ausfällt, Preisvorteile für die Wirelaid-Technik.

Bei der ersten Wirelaid-Variante ML6 Wire@2@5 (Bild 2, zweite Grafik von links) wird der Preisvorteil durch die Einsparung der 400-µm-Kupfer auf den Innenlagen sowie eine deutliche Reduzierung der Material- und Ätzkosten hervorgerufen. Erst bei der Benutzung von 1297 bzw. 1218 Wirelaid-Drähten pro Herstell-Panel ist der Vorteil aufgebraucht, wobei es sich dann immer noch nicht lohnt, die Standardtechnik einzusetzen. Denn Wirelaid bietet zudem auch spürbare Vorteile bezüglich Lötprozess und Gewicht. Bei der zweiten Wirelaid-Variante ML6 Wire@1@6 (Bild 2, dritte Grafik von links) mit Drähten auf der Innenlage wird eine weitere Multilayer-Verpressung notwendig.

Der Kostenvorteil gegenüber dem Dickkupferaufbau fällt zwar dadurch etwas geringer aus, aber die Konstruktion bietet entscheidende Vorteile für Logiklayout auf der Außenlage, weil die Wirelaid-Drähte innen platziert sind und die Außenlage noch dazu mit einer dünneren Kupferfolie mit 35 µm oder gar 18 µm ausgeführt werden kann. Damit sind dann auch Feinstleiter auf den Außenlagen problemlos möglich. Eine entscheidende Verbesserung des Logiklayouts auf der Außenlage und gleichzeitig in den Innenlagen stellt sich bei der Verwendung der dritten Wirelaid-Variante (Bild 2, Grafik rechts) ein.

Durch eine geringfügige Modifikation des Aufbaus und Verwendung von lasergebohrten Mikrovias können die SMD-Bauteile ohne platzraubendes Fan-out angeschlossen werden. Auf den Innenlagen bleibt durch die Vermeidung von durchgehenden Vias (THVs) mehr Platz, um Strompfade zu verlegen und gleichzeitig die notwendigen Isolationsabstände bei hohen Spannungen einhalten zu können. Dadurch können Wirelaid-Leiterplatten kleiner werden. Im zweiten Beispiel indes werden die Kosten von multiplen 105-µm-Innenlagen mit drei Wirelaid-Varianten verglichen (Bild 3).