Hochstrom-Leiterplatten Leistungsplatine

Bei Leiterplatten für hohe Ströme denkt man zuerst an Dickkupfer, ein etabliertes Fertigungsverfahren, das in vielen Anwendungen kaum Wünsche offen lässt. Erweitert man das Konzept jedoch, ergeben sich ganz neue Möglichkeiten, besonders in puncto Wärmemanagement. Die Leiterplatte ist dann mehr als nur die Basis für Leistungselektronik, sie wird selbst zur aktiven Komponente.

Viele moderne Produkte erfordern eine Kombination aus optimiertem thermischen Management, hohen Strömen und mechanischer Flexibilität. Die Leiterplattenstruktur und der Aufbau (minimale Strukturbreite, Lagenanzahl, Microvias, etc.) spielen eine wachsende Rolle.

Mithilfe von Ultraschallverbindungstechnik lassen sich externe Kupferteile in Form von Drähten oder Profilen mit dem Basiskupfer der Außen- und/oder Innenlagen stoffschlüssig verbinden (Bild 1).

Dies erfolgt selektiv an jenen Stellen der Leiterplatte, an denen hohe Ströme fließen, Wärme abgeführt und/oder die Leiterplatte eventuell gebogen werden soll.

Durch diese partielle Integration hoher Querschnitte in das Board lassen sich sowohl Leistungs- und Steuerelektronik in einer einzigen Platine kombinieren als auch ein durchgängig metallischer thermischer Pfad vom Hotspot (MOSFET, IGBT, Hochleistungs-LED, etc.) bis zur Wärmesenke  Kühlkörper, Gehäuse) erzeugen.

Die partielle Integration von Kupferprofilen in die Leiterplatte erlaubt es,  hohe Ströme bis zu typischerweise 400 A auf Innen- als auch Außenlagen in der Leiterplatte zu führen und gleichzeitig mit feinsten Leiterplattenstrukturen auf denselben Lagen zu kombinieren. Kupferprofile mit einer Dicke von 0,5 mm und Breiten von bis zu 12 mm lassen sich dabei flexibel miteinander verbinden, um ausreichende Querschnitte zur Stromführung bereitzustellen und damit die resultierende Eigenerwärmung der Hochstromleitungen auf ein Minimum zu reduzieren.

Über die direkte Ankontaktierung der Profile lassen sich Ströme in die Leiterplatte einfach einkoppeln, wobei sowohl geprüfte SMD als auch THT-Steckervarianten zur Verfügung stehen. Die erreichbare Leistungsdichte auf der Leiterplatte ist dabei um ein Vielfaches höher als bei vergleichbaren Alternativtechnologien, wo es oftmals nicht mehr möglich ist, die hohen Ströme in den Zuleitungen moderner Leistungsbauteile auf der verfügbaren Fläche zu realisieren.

Die Leiterplattenarchitektur »HSMtec« von Häusermann ermöglicht darüber hinaus die Konstruktion von selbsttragenden mehrdimensionalen Platinen für unterschiedliche Anwendungen (auch in Kombination mit hohen Strömen und Wärmemanagement). HSMtec wurde nach DIN EN 60068-2-14 und JEDEC A 101-A  qualifiziert und für Luftfahrt und Automotive auditiert. Die Konstruktion setzt auf Standard-FR4-Material und kann im Standard-Herstellungsprozess erzeugt werden.

Wärmemanagement

Grundlage eines optimalen thermischen Managements auf der Leiterplatte ist die Minimierung des thermischen Widerstandes. Dieser berechnet sich wie folgt: Rth = d/l·A. d ist die Dicke in μm, l die spezifische Wärmeleitfähigkeit in W/mK. Ein Blick auf die spezifische Wärmeleitfähigkeit (siehe Tabelle 1)  zeigt die Bedeutung des durchgängig metallischen Pfades von der Wärmequelle bis zur Wärmesenke und das Leistungspotenzial von HSMtec.

Material
λ [W/mK]
Hinweis
Silber418 
Kupfer, techn.300meist gering legiert
Aluminium, techn.150Kühlkörper von »außen«, nicht in der Leiterplatte
Lötzinn
51
bestimmt durch den Anteil Sn
Keramik
24
als Substratmaterial mit sehr gutem λ
Edelstahl
15
hat konstruktiv für die Entwärmung keine Relevanz
Invar
11
sehr teuer, als Legierung schlechtes λ
Leitkleber
5
ca. 80% silbergefüllt
Wärmeleitlack
2
baugruppenbezogen
Polysiloxan
1,5
Al2O3 und Glasgewebe in Silikonmatrix
Glas
1
λ durch Glas im FR4 höher gegenüber Harz
Porzellan
1
 
Transferkleber
0,43
λ um ca. Faktor 2 bis 3 besser als Acryl/Epoxy
FR4
0,25
λ durch Glas im FR4 höher gegenüber Harz
Polyimid
0,15
 
Acrylkleber
0,15
 
Luft, unbewegt
0,026
bewegte Luft (Lüfter) um Faktor >10 höher
Tabelle 1: Wärmeleitfähigkeit von Materialien

Denn Kupfer leitet Wärme 1000-fach besser als FR4 beziehungsweise 10.000-fach besser als stehende Luft. Somit lässt sich der thermische Widerstand minimieren.

Der rasche und direkte Abtransport der Wärmeverlustleistung von Leistungsbauteilen trägt also wesentlich dazu bei, dass sich diese Bauteile nicht so stark erwärmen und damit deren Lebensdauer und Effizienz erhöhen.

Durch die Kombination von integrierten Kupferprofilen mit modernen Leiterplattentechniken wie Micro- und Thermovias lassen sich die Lötflächen (Bauteile, Kühlkörper) direkt an die Profile metallisch ankontaktieren, das Engpässe im thermischen Pfad vermeidet.

Ein optimierter Lagenaufbau sorgt zusätzlich für rasche Wärmespreizung und unterstützt das gesamte thermische Konzept.