PCB für leistungsintensive Applikationen Durchblick schaffen

In Applikationsfeldern die in größeren Mengen elektrische Energie effizient handzuhaben.
In Applikationsfeldern die in größeren Mengen elektrische Energie effizient handzuhaben.

In Applikationsfeldern wie Elektromobilität und Industrie 4.0 besteht zunehmend die Aufgabe darin, elektrische Energie möglichst effizient handzuhaben. Für die entsprechenden Leistungsbaugruppen muss der Designer dabei nicht nur Bauteile, sondern auch PCBs sinnvoll auswählen und neu entwerfen.

Elektronikentwickler, die sich mit einem neuen Projekt befassen, müssen möglichst schnell eine Entscheidung zur Leiterplatten-Technologie treffen, um mit dem schöpferischen Prozess beginnen zu können. Dabei gilt es, im Vorfeld sowohl technische als auch wirtschaftliche Gesichtspunkte abzuklopfen:

  • Welche Technologien kommen grundsätzlich in Frage?
  • Welche Funktionen bringe ich auf dem System unter?
  • Welche Wechselwirkungen hat die Entscheidung auf die Aufbau- und Verbindungstechnik? Wie zuverlässig sind die Systeme?
  • Wie hoch ist die Verfügbarkeit für die geplanten Serienstückzahlen?
  • Was kostet das Ganze am Ende?

Erfahrungsgemäß kollabiert eine systematische Entscheidungsmatrix oft schon bei dem Versuch einer objektiven Bewertung – allein aufgrund nicht definierter Randbedingungen. An die Stelle der Entscheidungsmatrix tritt eine Sammlung, bestehend aus eigenem Erfahrungsschatz, Meinungen von Kollegen und Vorgesetzten sowie dem Google-Algorithmus zu entsprechenden Suchbegriffen. Diese subjektive Entscheidungsmatrix ist auch unter dem Begriff „Bauchgefühl“ bekannt.

In Anbetracht der vielen neuen Leiterplattentechnologien für die Leistungselektronik ist es nicht einfach, den Überblick im Technologie-Dschungel zu behalten. Insbesondere die Konzentration mancher Hersteller auf einzelne, nur für sich selbst lukrative Technologien stört die objektive Meinungsbildung.

Als ganz ausgeprägtes Beispiel für ein verzerrtes Technologiebild sei an dieser Stelle die Entwicklung einer LED-Straßenlampe zu nennen. Auf Messen wurden bis vor Kurzem zwei unterschiedliche Technologien für das gleiche Produkt beworben, um die Kühlung der Hochleistungs-LEDs sicherzustellen:

Technologie A (Bild 1 links):
Multilayer-Leiterplatte mit eingearbeiteten Kupferbändchen Thermische Vias zur Anbindung der LEDs an die vergrabenen Kupferbändchen Tiefenfräsen/Ritzen bis zu den Kupferbändchen zum Ausrichten der LEDs durch Biegen der Leiterplatte

Technologie B (Bild 1 rechts):
Metallkern-/IMS-Leiterplatte: Eine elektrische Lage auf Aluminiumträger Tiefenfräsen zur Ausrichtung der LEDs durch Biegen des Aluminiums

Ein Technologievergleich per Kosten-Nutzen-Analyse bringt ein starkes Missverhältnis in den von den Herstellern veröffentlichten Bewertungen zum Vorschein. Schon aus der Zahl der Fertigungsschritte lässt sich erahnen, dass Technologie A erheblich aufwändiger zu produzieren ist als Technologie B. Zusätzlich zeigt sich, dass die einfachere Technologie B thermisch und mechanisch zuverlässiger ist. Lediglich bei schnellen Temperaturwechseln und großflächigen Bauteilen wirkt sich die hohe Ausdehnung des Aluminiums negativ auf die Zuverlässigkeit aus. Um derartige Fallen zu erkennen und zu vermeiden, ist ein schneller und umfassender Überblick über die verfügbaren Technologien im Bereich Pow­er-Leiterplatten notwendig. Dieser Überblick in Form eines Technologie-Scout (Bild 2) zeigt die Optionen im Technologiedschungel auf und definiert grob die Richtungen, in die die Reise der Elektronikentwicklung gehen kann.

Planungsstrategie für Power-Leiterplatten

Die Kenntnis der verschiedenen Technologieoptionen beantwortet noch nicht die Frage nach der besten Auswahl für die jeweilige Anwendung. Um die Leistungsfähigkeit eines Aufbaus zu beurteilen, sind die Grenzen der Strom- und Wärmetragfähigkeit zu ermitteln. Und das nicht erst nach der Entwicklung bei Messungen im Labor, sondern bereits im frühen Planungsstadium.

Zu diesem Zweck ist der Einsatz von Strom- und Wärmesimulations-Software – z.B. von Mentor Graphics oder Ansys – weit verbreitet, weil sie eine zielgerichtete Entwicklung ermöglicht. Aufgrund der ausgefeilten und z.T. einfach handzuhabenden Software sind Temperaturvorhersagen nicht mehr nur Aufgabe für Spezialisten oder gar Spezialabteilungen, die mehrere Tage bis Wochen beschäftigt sind, sondern können von jedem Entwickler kurzfristig selbst durchgeführt werden.

Für die Thermosimulation auf Board-Ebene, z.B. mit der TRM-Software von ADAM Research, sind folgende wesentliche Parameter zu definieren: Leiterplattenmaterial, -aufbau und -design der relevanten Strukturen, die Verteilung der Ampere- und Wattzahlen sowie der Wärmesenken. Als Ergebnis erhält man Thermogramme, die erkennen lassen, ob die Strukturen ausreichend ausgelegt sind und wo gegebenenfalls thermische Flaschenhälse liegen. An diesen Stellen kann man dann versuchen, mit gezielten Eingriffen signifikante Verbesserungen zu erzielen.

Oft verleiten jedoch die bunten Thermogramme aus Simulation und Thermografie dazu, nur die heißesten Hotspots mit deren Maximaltemperatur zu bewerten. Das ist sicherlich ein wichtiger Sammelparameter, jedoch liefern die Simulationsergebnisse noch wertvollere, weil detailliertere Informationen. Um die Thermogramme für die strategische Planung zu nutzen, ist es hilfreich, sich die Temperaturen von der Wärmequelle entlang des Haupt-Wärmepfades bis hin zur Wärmesenke in einem Diagramm aufzuzeichnen.