Entwärmungskonzepte

Hohe Ströme auf FR4-Leiterplatten

13. Februar 2017, 10:39 Uhr | Alfred Goldbacher

Fortsetzung des Artikels von Teil 3

Hochstromleiterbahnen vor dem Standardlayout designen

Das Design der Hochstromleiterbahnen empfiehlt sich grundsätzlich vor dem Standardlayout. Der optimale Entwicklungsprozess einer solchen Leistungsbaugruppe mit HSMtec-Leiterplatte sollte in folgenden Designschritten ablaufen:

  • 1. Mechanik definieren: Größe und Kontur der Leiterplatte festlegen
  • 2. Leistungsbauteile platzieren: kurze und einfache Wege für die Hochstromleiterbahnen festlegen
  • 3. Stromstärken definieren: z.B. 80 oder 110 A
  • 4. Umgebungsbedingungen definieren: Umgebungstemperatur z.B. 60 °C und maximale Temperaturdifferenz ΔT von 40 K
  • 5. Lagenaufbau und Kupferlagen definieren: Es empfiehlt sich, bevorzugt mit Masse-Innenlagen und auch auf den Außenlagen alle freien Flächen mit Kupfer zu fluten.
  • 6. Erforderliche Leitungsquerschnitte bezogen auf Umgebungsbedingungen und Lagenaufbau berechnen (Tabelle): Häusermann stellt hierfür eine Software zur Verfügung, welche die notwendige Leiterbreite für Hochstrom-Leiterzüge auf einer FR4-Leiterplatte berechnet. Das Ergebnis liefert die empfohlene Designbreite für eine einzelne Hochstromleiterbahn einer HSMtec-Leiterplatte und den Vergleich mit der herkömmlichen Leiterplattentechnik.
  • 7. Routing der Hochstromleiterbahnen: Beim Routing von Innenlagen gilt die Grundregel: Unter jedem Profil muss die umlaufende Leiterbahn beidseits mindestens 1 mm breiter sein als das Profil selbst. Beispielsweise braucht ein 8-mm-Kup­fer­profil mindestens eine 10 mm breite Leiterbahn und bei einem 2×4-mm-Profil sind mindestens 12 mm vonnöten.
  • 8. Designen der Kupferprofile z.B. mit einer Hilfslage: Bei der Auswahl der Kupferelemente ist das Applikationsteam behilflich.
  • 9. Routing des restlichen Layouts, des Logikteils der Schaltung
  • 10. Bohrungen platzieren: Durchkontaktierungen, Thermovias – Microvias im Wärmepfad der MOSFETs auf den Kupferprofilen festlegen. In den Heatpads der MOSFETs werden Microvias mit 0,1 mm Durchmesser und einem Raster bis 250 µm platziert, welche das darunter liegende Kupferprofil kontaktieren. Die Schritte 1 bis 4 definiert der Entwickler, für die Schritte 5 bis 6 bietet Häusermann einen Hochstromkalkulator und direkte Unterstützung durch das Anwendungsteam an.

Leiterplattendesign mit ­integrierten Kupferelementen

Beim Leiterplattendesign mit den Kupferelementen sind folgende Design-Regeln maßgeblich:

Wärmetechnisch optimiertes Design: Beispiel für die Entwärmung bei Gehäuseform TO263 mit Microvias und Thermovias und Kupferelementen in der Leiterplatte.
Bild 5. Wärmetechnisch optimiertes Design: Beispiel für die Entwärmung bei Gehäuseform TO263 mit Microvias und Thermovias und Kupferelementen in der Leiterplatte.
© Häusermann
  • Standard-PCB-Spezifikationen für HSMtec-Leiterplatten: 0,8 bis 3,2 mm Enddicke; maximal 12  Lagen; maximal drei Lagen für die Kupferquerschnitte sowie Ströme bis 400 A
  • Grundregel für die Stromtragfähigkeit: Unter jedem Profil muss die umlaufende Leiterbahn beidseits mindestens 1 mm breiter sein als das Profil selbst. Beispiel: ein 8-mm-Kupferprofil braucht mindestens eine 10 mm breite Leiterbahn.
  • Aus ökonomischen Gründen gilt es, die Hochstromleiterbahnen direkt und gerade zu führen. Abzweigungen in den Kupferprofilen lassen sich über geätzte Flächen realisieren.
  • Kupferprofile gibt es in vier Breiten: 2, 4, 8 und 12 mm mit einer variablen Länge, die jedoch nicht unter 15 mm liegen sollte. Kupferdrähte gibt es mit 0,5 mm Durchmesser und einer Länge von mind. 10 mm.
  • Lagenwechsel von Kupferprofilen und -runddrähten von Innenlagen zu Außenlagen (und wieder zurück) sind problemlos mit Durchkontaktierungen möglich.
  • Die Hochstromleiterplatten eignen sich für alle gängigen Anschlusskontakte: Schrauben, Druckkontakt, Einpressen oder Löten.
  • Mit Microvias und Thermovias lassen sich die Kupferprofile mit einem Kühlkörper verbinden. Hierbei sind Leiterbreiten, Restringe und Aspect Ratio einzuhalten, sodass eine genügend große Menge Kupfer abgeschieden wird. In der Bohrung muss die Kupferschicht etwa 20 µm dick sein.
  • Da die Leistungsbauteile heißer werden als der Hochstromleiter, braucht es ein wärmetechnisch optimiertes Design. Ein Design-Beispiel für das Entwärmungskonzept eines TO-263-SMD-Gehäuses veranschaulicht Bild 5. Ein 12 mm breites und 0,5 mm hohes Kupferprofil liegt auf einer Leiterbahn, die umlaufend mindestens 1 mm breiter ist als das Kupferprofil in der Innenlage der Leiterplatte. Unterhalb des Headpad des Leistungshalbleiters sind Microvias mit 0,1 mm Durchmesser in einem Raster bis 250 µm eindesignt. Um das Heatpad sind Thermovias mit 0,5 mm Durchmesser im Raster von 1 mm angeordnet, die ergänzend angebracht werden können. Hinzu kommen Blindvias, die ebenfalls einen Wärmepfad vom Kupferprofil zum Kühlkörper herstellen.

  1. Hohe Ströme auf FR4-Leiterplatten
  2. 3D-Aufbau nutzt Bauraum sehr gut aus
  3. Automotive-zertifiziertes Standardgehäuse vorgegeben
  4. Hochstromleiterbahnen vor dem Standardlayout designen

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