Startseite > Elektronikfertigung > Strategien & Trends > Neue Fertigungstechniken pushen die Leistungselektronik

Vom Hochleistungspackage über die Leiterplatte bis zur Baugruppe

Neue Fertigungstechniken pushen die Leistungselektronik

11. Juni 2012, 11:01 Uhr | Karin Zühlke

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Leistungselektronik und Ansteuerung auf einem Board

In der klassischen Leiterplattentechnik und der SMT-Fertigung von Leistungselektronik-Baugruppen bereiten vor allem die hohen Ströme und in Folge dessen die größeren Querschnitte der Kupferleiterbahnen Kopfzerbrechen: Bislang ist es üblich, Ansteuerelektronik und Leistungselektronik getrennt auf zwei Leiterplatten zu fertigen und dann über einen Stecker zu verbinden. Günstiger und platzsparender wäre es, beide Funktionseinheiten auf einem Board zu »verheiraten«. Doch auch das geht mit konventionellen Leiterplattentechnologien nicht: Denn die klassische Dickkupfertechnik kann zwar hohe Ströme bewerkstelligen, aber nicht die feinen Strukturen wie sie die Ansteuerung erfordert, realisieren. Dazu braucht man eine Technik, die große Querschnitte für Entwärmungen mit sehr feinen Strukturen kombiniert.

Genau das macht die Leiterplattentechnik HSMtec von Häusermann: Nur dort, wo tatsächlich Wärme auf der Leiterplatte entsteht, werden massive Kupferelemente - sei es als Profil oder in Drahtform - in konventionelle FR4-Leiterplatten integriert. »Mit HSMtec können wir große Querschnitte für Entwärmungen mit sehr feinen Strukturen kombinieren«, erklärt Johann Hackl, zuständig für die Anwendungsentwicklung von Häusermann. Denn um für Leistungsmodule eine hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer sicherzustellen, muss vom aufgelöteten Bauteil bis zum Kühlkörper eine optimale Wärmeabfuhr gewährleistet sein. Sehr gut geeignet ist HSMtec nach den Worten von Hackl zum Beispiel für den Einsatz in der Motorsteuerung eines Gleichstrommotors mit IGBT oder für die Elektromobilität: »Die Kombination von Ansteuerungs- und Signalverarbeitungstechnik mit Leistungshalbleitern auf einer Leiterplatte stellt insbesondere in der Elektromobilität eine Herausforderung dar«, so Hackl. »Neben den Anforderungen an Platz und Gewicht gilt es, hohe Ströme zu bewältigen und gleichzeitig schnell die Wärme abzuleiten.«

Während der Bestückprozess von Leistungselektronik-Baugruppen keine größeren Herausforderungen mit sich bringt, sind die größeren Querschnitte der Kupferleiterbahnen und die Anschlussquerschnitte der Pins von Leistungsbauteilen wie Halbleiter, Drosseln oder Elektrolytkondensatoren eine Achillesverse im SMT-Lötprozess, wie Jürgen Friedrich erklärt, Leiter Anwendungstechnik von Ersa. »Beim Design der Leiterplatte werden immer wieder für die massereichen Lötstellen der Leistungsbauteile dieselben Grundlagen angewendet wie für einfache »normale«, bedrahtete Bauteile geringer Masse«, gibt Friedrich zu bedenken. Aber was sich auf dem CAD-System des Entwicklers als einfache Verbindungspunkte darstellt, ist in Wirklichkeit eine Lötstellen mit sehr hoher Wärmekapazität. Leistungselektronik-Baugruppen stellen aufgrund der hohen Ströme ganz spezielle Ansprüche an die Lötstellen und die müssen schon beim Design der Baugruppe berücksichtigt werden. Denn Versuche, Defizite beim Design in der Fertigung über den Lotprozess »auszubügeln«, scheitern nicht selten kläglich.