Hochstrom-Leiterplatten Partielle Dickkupfertechnik

Zahlreiche Industrie-Anwendungen benötigen nicht nur viel Leistung, sondern auf derselben Leiterplatte auch Steuerungslogik. Hier kommt die Wirelaid-Technik zum Einsatz, da sich mit ihr die Entwärmung von Leistungsbauteilen ebenso realisieren lässt wie die Miniaturisierung des Systems.

Die Volksweisheit „Viel hilft viel“ stößt im täglichen Leben genauso an ihre Grenzen wie in der Leiterplattentechnik. Viel Kupfer leistet bezüglich der Stromtragfähigkeit ebenso wertvolle Dienste wie bei der wirksamen Entwärmung von Leistungsbauteilen. Wie in [1] bereits gezeigt, ist Dickkupfer jedoch teuer und auf den Außenlagen nicht für SMD-Technik geeignet.

Hier spielt die partielle Dickkupfertechnologie Wirelaid ihre Vorteile aus: Die höheren Kupferquerschnitte werden nur an den Stellen vorgesehen, wo sie gebraucht werden – also direkt am Leistungsbauteil, um Hot Spots zu vermeiden und die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Bauelemente zu erhöhen. Anhand eines Versuchs wird im Folgenden das Potenzial dieser Designoption gezeigt.

Sich widersprechende ­Designanforderungen

Die Konstruktionen moderner Leistungsbauelemente – z.B. Leistungs-MOSFETs im D²PAK-Gehäuse – weisen innen große Kupferquerschnitte und außen ein großes zentrales Wärmepad auf. Dadurch kann die Wärme, die im Gehäuse am Chip durch die Verlustleistung entsteht, mit einem möglichst geringen thermischen Widerstand aus dem Gehäuse abgeleitet werden. Im weiteren Verlauf des thermischen Pfades müssen die thermischen Widerstände optimiert werden, damit eine effiziente Entwärmung stattfinden kann. Eine gute thermische Kopplung zur Leiterplatte gelingt durch eine blasenfreie, flächige Lötung auf das Kontaktpad. Um nun von dort die Wärme weiterverteilen zu können, sind wiederum große Kupferquerschnitte nötig. Dies ist jedoch gegenläufig zu den Feinstleiteranforderungen der oberflächenmontierbaren Leistungsbauelemente und der weiteren SMD-Beschaltung (Bild 1).

Dieser Spagat gelingt mit der partiellen Dickkupfertechnik Wirelaid: Das Anschweißen der Drähte auf der Rückseite der Kupferfolie erweist sich als höchst vorteilhaft, um die Wärme direkt unter dem Wärmepad des Bauelements abzuleiten. Auf Thermovias im Lötpad mit all den bekannten Nachteilen kann damit verzichtet werden. Ebenso funktioniert dieser Ansatz bei einem engen Array von Leistungsbauelementen, sofern die Wärmepadkontakte auf demselben Potenzial liegen.

Bilder: 3

Stanardleiterplatte in Betrieb, Bilder 2 bis 4

Standardleiterplatte in Betrieb mit bestücktem Evaluation Board und mit Wirelaid-Technik.

Die Wirkung wird durch die mit den Bildern 2, 3 und 4 erfasste Versuchsreihe demonstriert: Bei dem auf Bild 1 gezeigten Evaluation Board wird ein Leistungsbauteil mit einer nominellen Verlustleistung von 16,5 W/cm² eingeschaltet und mit einer Wärmebildkamera beobachtet. Nach etwa fünf Sekunden kann man die vergrabenen Drähte links und rechts vom Bauteil (Bild 2) erkennen, weil sie sich durch die Ableitung der Verlustwärme aufheizen. Bei Fortführung des Versuchs bis zur maximalen Erwärmung zeigt sich bei der Standardleiterplatte (Bild 3) ein deutlicher Hot Spot. Während die Wirelaid-Leiterplatte (Bild 4) insgesamt ein höheres Temperaturniveau zeigt, bleibt das Bauteil dabei signifikant kühler: Die Entwärmung funktioniert.

In Zahlen ausgedrückt: Die Temperatur des Leistungsbauteils ist mit den vergrabenen Wirelaid-Entwärmungsdrähten um 17 K niedriger, was einer Verlängerung der Lebensdauer um den Faktor vier entspricht. Wird das bei der Versuchsreihe verwendete Bauelement an der Grenze der Spezifikation betrieben, so lässt sich mit dem Wirelaid-Ansatz also eine komfortable Lebensversicherung zu sehr günstigen Konditionen realisieren.

Systemkosten einsparen

Im Vergleich zu einer Standard-Dickkupferleiterplatte punktet die Wirelaid-Leiterplatte aber auch mit kostenspezifischen Argumenten, und dies umso mehr, wenn man den Kostenvergleich auf Systemebene anstellt. Diesen Aspekt unterstreicht auch Andreas Schilpp, verantwortlicher Produktmanager für Wirelaid und Hochstromprodukte bei Würth Elektronik: „Das größte Einsparpotenzial der Wirelaid-Technik kommt vor allem bei komplexeren Systemen zum Tragen“.

Anschaulich darstellen lässt sich diese Festellung, wenn man die Systemkosten einer Multilayer-Schaltung mit sechs Lagen sowie einem Logikmodul denen einer gleichwertigen Wirelaid-Leiterplatte gegenüberstellt (Tabelle).

Diesem Vergleich liegt als Fallbeispiel eine Sechs-Lagen-Multilayer-Schaltung zugrunde, bei der jeweils 105 µm dicke Kupferlagen die Hochstromaufgabe übernehmen. Die Logik wird auf einem Modul mit Feinstleitertechnik realisiert und über Steckverbinder auf die Hauptplatine kontaktiert. Bei der adäquaten Lösung mit Wirelaid indes kann das Logikmodul durch die Möglichkeit der Feinstleiterstrukturen auf der Bestücklage komplett integriert werden. „Auf diese Weise entfallen die Verbindungstechnik ebenso wie alle anderen Systemkosten für das Modul und die Verheiratung“, erläutert Andreas Schilpp. „Die Kosten können in diesem Bespiel praktisch halbiert werden.“ Es gibt noch weitere systembedingte Vorteile, die aus der geringeren Kupfermenge, also der geringeren Wärmekapazität, resultieren:

  • Deutliche Vereinfachung des Lötprozesses sowie Einsparung von Prozesskosten für Sonderlötprozesse und höherer Yield
  • Hand- und Selektivlötungen sind möglich – ebenso für den Fall der Reparatur
  • Spürbare Gewichtsreduktion

Zusammenfassend betrachtet bieten sich die Chancen der Kostenreduktion auf Systemebene durch die Inte­gration von Logikmodulen, ferner durch die Einsparung von Kabeln und Verbindungstechnik sowie aufgrund der Verkleinerung der Leiterplatte durch den geringeren Flächenbedarf.

 

Literatur

[1] Kupferdrähte onboard aufschweißen. Elektronik 2015, H.20, S. 48.
[2] Westenkirchner, J.; Goldbacher, A.: Engpässe umgehen. Elektronik 2014, H. 24, S. 45.
[3] Westenkirchner, J.: Beipässe für große Ströme. Elektronik 2010, H. 26, S. 20.

 

Andreas Schilpp 
verantwortlicher Produktmanager für Wirelaid und Hochstromprodukte bei Würth Elektronik, verweist auf das hohe Einsparpotenzial der Wirelaid-Technik. 

 

verantwortlicher Produktmanager für Wirelaid und Hochstromprodukte bei Würth Elektronik, verweist auf das hohe Einsparpotenzial der Wirelaid-Technik.