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Stromintensive Applikationen erfordern neuartige Leiterplattendesigns

Engpässe elegant überbrücken

19. November 2014, 13:14 Uhr | Von Jürgen Westenkirchner und Alfred Goldbacher

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Fortsetzung des Artikels von Teil 3

Kostenvergleich für Klein- und Mittelserien

Jede Innovation darf in der Wirtschaftswelt nur dann auf Akzeptanz hoffen, wenn die technischen Vorzüge nicht durch höhere Herstellkosten wieder aufgezehrt werden. Dies gilt natürlich auch für Wirelaid, für das im Folgenden verschiedene Kostenbetrachtungen angestellt werden. Verglichen werden Standardleiterplatten gleicher Dimensionen, Oberflächen, Basismaterialien und anderem mehr – jeweils mit und ohne Wirelaid-Aufbau.

Des Weiteren soll ein Lagenaufbau den weiteren Berechnungen zugrunde liegen, bei dem zwei Innenlagen mit 105 µm und zwei Außenlagen mit jeweils 35 µm verwendet werden. Wenn man nun anstelle des Standardaufbaus für die 105 µm dicken Kupferlagen Wirelaid-Drähte verwendet, die in der Außenlage realisiert werden, so kann man im Falle der verwendeten Wirelaid-wire-top/bot-Variante eine Multilayer-Platine bis zu einer Anzahl von 271 verbauten Drähten per Fertigungs-Panel kostengünstiger produzieren als mit der herkömmlichen Herstellungsmethode. Verlegt man stattdessen den Draht unter eine Innenlage, beispielsweise mit der Version „wire L2“, so kann man immer noch bis zu 137 Drähte verbauen und ist damit immer noch kostengünstiger als mit der Standardlösung.

Diese Rechenbeispiele lassen sich beliebig fortführen, und zwar mit unterschiedlichen Lagenzahlen und Kupferschichtdicken bei Innen- und Außenlagen; stets wird man feststellen, dass die Zahl der verbauten Drähte oft mehrere Hundert per Fertigungspanel beträgt, bevor der herkömmliche Standardaufbau Preisvorteile bieten würde. Technikbedingte Vorteile wie geringere Leiterbahnbreiten aufgrund der Drahtschreibetechnik führen – unabhängig davon – häufig zu kompakteren Platinenabmessungen und damit zu weiteren Kostenreduzierungen.

Konkret realisierte Wirelaid-Projekte

Ein in der Praxis häufig verwendetes Projekt basiert auf einer bestehenden 6-Lagen-Platine mit je vier 105 µm dicken Kupfer-Innenlagen. Die Platine selbst kommt in einem 5,5-kW-Umrichter zum Einsatz, der aufgrund der Verfügbarkeit leistungsstärkerer Endstufen auf 7,5 kW ausgebaut werden sollte. Zudem waren Änderungen an den mechanischen Komponenten, z.B. am Gehäuse des Umrichters, möglichst zu vermeiden. Diverse Konzepte wurden diskutiert, unter anderem die Erhöhung auf acht Lagen, doch damit wäre die Dicke der Leiterplatte aufgrund der geforderten Isolationseigenschaften von bisher 2,5 mm auf 3,5 mm angestiegen und hätte auch eine Abänderung des Gehäuses erforderlich gemacht. Zwei Innenlagen als Alternative mit 210 µm Schichtdicke anstelle von 105 µm auszuführen, hätte die Plattenherstellung deutlich verteuert und zudem das Line-Space-Verhältnis in unakzeptable Bereiche nach oben verändert.

Letztendlich entschied man sich für ein Redesign (Bild 4) mit Hilfe der Wirelaid-Technik, wobei der Lagenaufbau und das Layout der Vorgängerversion beibehalten und durch fünf stromführende Leiterzüge mit 800 µm × 250 µm dicken Wirelaid-Drähten auf der unteren Innenlage verstärkt wurde. Über diese Drähte können Ströme von 15 A geführt werden, welche die Temperatur der Platine lediglich um 10 K erhöhten. Außerdem stieg die mit der neu designten Leiterplatte erzielbare Geräteausgangsleistung um 35 Prozent, und es mussten keinerlei Änderungen an den mechanischen Komponenten, auch nicht am Kühlkörper, vorgenommen werden. Bestehende Fertigungsprogramme und selbst die In-Circuit-Tests der Vorgängerversion konnten beim neuen Design beibehalten werden, so dass die Fertigung deutlich kostengünstiger ausfiel als die in Erwägung gezogene Alternative einer Multilayer-Platine mit 8-Lagen-Ausführung.