Leiterplatten für Hochstrom Semikron setzt auf HSMtec

Den Anforderungen für Hochstrom und Wärmemanagement entsprechend, lassen sich massive Kupferelemente als Profile oder Drähte in die Leiterplatte integrieren Bild: Häusermann

Die Leiterplattentechnik HSMtec von Häusermann macht es möglich, große Querschnitte für die Entwärmung mit sehr feinen Strukturen zu kombinieren. Diesen Vorteil macht sich jetzt auch Semikron zu nutze.

Semikron verwendet für seine Multi-Converter-Box, einen IGBT-basierten Mehrfachumrichter für Anwendungen in Nutzfahrzeugen und Traktoren, die HSMtec-Technik. Hohe Ströme von 100 A und mehr sicher über das Board zu führen und die lokale Überhitzung durch Leistungshalbleiter zu vermeiden, ist eine Herausforderung. Die Leiterplattentechnik HSMtec von Häusermann löst dieses Problem, indem das massive Kupfer nur dort, wo hohe Ströme durch die Leiterplatte fließen, sei es als Profil oder in Drahtform – in die Platine integriert wird. Inzwischen hat sich die HSMtec-Technologie laut Norbert Redl, Anwendungsentwickler beim österreichischen Leiterplattenhersteller Häusermann schon in mehr als 150 Projekten bewährt.

Zu den jüngsten Entwicklungserfolgen gehört zum Beispiel das MCB-Projekt mit Semikron: Die  MCB dient als Traktor-Steuergerät zur Ansteuerung u. a. der Hydraulik, Klima und der Lüftung und ist wassergekühlt. Warum sich Semikron für HSMtec entschieden hat, liegt nach den Worten von Redl auf der Hand: »Bei hohen Strömen drosselt HSMtec die Hitzeentwicklung zügig auf zulässige Partial- und Systemtemperaturen. Die integrierten Kupferelemente stemmen Ströme von bis zu 500 A.« Über acht technische Herausforderungen hat Semikron in seiner IGBT-Baugruppe umgesetzt, wie etwa die Abstände für Luft und Kriechstrecken, Stromtragfähigkeit der elf Leistungspfade bei einer Umgebungstemperatur von 105 °C und geringem Wärmeeintrag, mäanderförmige Verschachtelung der Platzierung, analoge Strommessung der Wechselrichter (SV-Signale), niederohmige Spannungsversorgung und getrennt geführte Bussysteme.

Weitere HSMtec-Projekte haben die Österreicher erfolgreich etwa mit Diehl AKO für einen PV-Wechselrichter und mit Seidel für eine anspruchsvolle Roboter-Anwendung für die Industrieelektronik-Branche realisiert. Darüber hinaus gab es eine enge Zusammenarbeit mit der Drivetec AG für eine Anwendung im Motorenbereich: Dabei sollen die Abgase vom Turbolader auf ein Schaufelrad gelenkt werden, so dass sich Umlaufgeschwindigkeiten von bis zu 120.000 U/min realisieren lassen. Mittels Generator wird hier Energie in die Batterie rückgespeist. Und der Anwendungsbogen für HSMtec spannt sich noch weiter: HSMtec bringt sogar eScooter in Fahrt: Ein Beispiel ist die Motorsteuerung von Rising-edge GmbH für eine eScooter-Serie. Die rein elektrisch betriebenen Zweikrafträder sollen künftig Postboten in ländlichen Gegenden die Zustellung erleichtern. Um wendig, leicht und flink zu sein, wird der Stromer auf zwei Rädern von einem Permanentmagnet-Dreiphasen-Synchronmotor mit einer Leistung von bis zu 15 kW angetrieben. Waren bislang spezielle Montagen nötig, um große Ströme über die Leiterplatte führen zu können, lässt sich mit HSMtec nun das gesamte Motorsteuerungsmodul mit einer Fläche von 228 mm x 75 mm auf einer einzigen Leiterplatte unterbringen.

»HSMtec ist für den Einsatz in der Motorsteuerung eines Gleichstrommotors mit IGBT oder auch für die Elektromobilität sehr gut geeignet, weil sich die Kombination von Ansteuerungs- und Signalverarbeitungstechnik mit Leistungshalbleitern auf einer konventionellen Standard-FR4-Leiterplatte sicher bewerkstelligen lässt«, fasst Redl zusammen. Die gängige Lösung, die Ansteuerelektronik und Leistungselektronik getrennt auf zwei Leiterplatten zu fertigen und dann über einen Stecker zu verbinden, wird damit obsolet. »Auch die Dickkupfertechnik stößt da an ihre Grenzen: Sie kann zwar hohe Ströme bewältigen, nicht jedoch die feinen Strukturen realisieren, wie sie die Ansteuerung erfordert. Mit HSMtec ist es möglich, hohe Ströme und die Hitzeentwicklung zügig auf zulässige Partial- und Systemtemperaturen zu drosseln«, so der Anwendungsentwickler weiter. Die integrierten Kupferelemente stemmen Ströme von bis zu 500 A. Ein weiterer Vorteil ist, dass die übrige Platinentechnik unberührt bleibt. Die mit den Leiterbildern stoffschlüssig verbundenen Kupferelemente lassen sich mittels Ultraschallverbindungstechnik direkt auf das Basiskupfer auftragen und mit FR4-Basismaterial in jede beliebige Lage eines Multilayers integrieren. HSMtec ist nach DIN EN 60068-2-14 und JEDEC A 101-A qualifiziert und auditiert für Luftfahrt und Automotive.

Die Spezialisierung auf Leiterplattentechnik für die Leistungselektronik ist gerade vor dem Hintergrund der schwierigen Lage der Leiterplattenbranche in Europa einer der großen Pluspunkte der Österreicher. »Die Nachfrage steigt stetig und wir sind sehr gut ausgelastet«, erklärt Redl. Häusermann fertigt nicht nur die Leiterplatten, sondern setzt auch einen starken Akzent auf die Beratung: Im eigenen Hochstrom-Labor werden für Kunden Messungen und Tests durchgeführt. Für HSMtec gibt es ein eigenes Kompetenz-Center im Haus. Der Schwerpunkt bei Häusermann liegt auf kleineren und mittelgroßen Serien. Für große Serien besteht eine Kooperation mit AT&S.