Höhere Ströme für die Leiterplatte Von Dickkupfer bis zum Inlay Board

Nicht nur die Miniaturisierung stellt neue Anforderungen an die Leiterplattentechnologie, sondern auch gleichzeitig der Trend zu immer höheren Strömen. Vor allen der in Deutschland wichtige Markt der Industrieelektronik erfordert zunehmend neue Konzepte, etwa durch den wachsenden Bedarf an Elektronik im Bereich der Erneuerbaren Energien und der Elektrifizierung der Antriebe.

Derzeit wird der PCB-Markt für Leistungselektronik auf ein weltweites Volumen von rund 2 Mrd. Dollar geschätzt, mit einem prognostizierten Wachstum von jährlich 15 Prozent! »Bei diesem wachsenden Markt handelt es sich um eine immer größer werdende Nische, in der deutsche Unternehmen technologisch die führende Rolle einnehmen«, unterstreicht Thomas Gottwald, Leiter Innovation Center bei der Schweizer Electronic AG, die Bedeutung der Leistungselektronik. Und diese spiegelt sich auch in der Leiterplattentechnologie wider.

So hat Schweizer Electronic gleich mehrere Konzepte im Portfolio, um auf die Herausforderungen zu reagieren, die sich hinsichtlich der höheren Stromtragfähigkeit ergeben. Die verschiedenen Ansätze ergänzen sich, konkurrieren zum Teil aber auch miteinander. Ausschlaggebend für die eine oder andere Technologie ist dabei vor allem der Aufwand, der betrieben werden muss, um das Leiterplattenlayout bei Hochstromanwendungen sowie das Wärmemanagement zu optimieren. Zur Auswahl stehen folgende Möglichkeiten:

  • Dickkupfertechnik: Diese Technik ist seit vielen Jahren am Markt etabliert, basiert auf Standardkomponenten und wird in großen Stückzahlen hergestellt. Von Dickkupfer spricht die Leiterplattenindustrie bei Stärken von 70 bis 400 µm. Im Idealfall befinden sich diese Dickkupferlagen im Inneren der Leiterplatte. Auf den Außenlagen ist die Kupferdicke aus fertigungstechnischen Gründen begrenzt. Mit dem Einsatz von bis zu vier Innenlagen mit jeweils 400 µm Kupfer ist eine Stromtragfähigkeit von mehreren hundert Ampere möglich. Des Weiteren lassen sich über zusätzliche Bohrungen vielfältige Entwärmungsmöglichkeiten realisieren. Als Nachteil der Dickkupfertechnik muss allerdings gesehen werden, dass die Miniaturisierungsmöglichkeiten begrenzt sind. Durch die starke Unterätzung sind nur relativ grobe Strukturen erzeugbar. Eine feine Signalverdrahtung kann zum Beispiel nicht auf der gleichen Verdrahtungsebene realisiert werden.
  • Wirelaid-Technologie: Als eine Alternative zur Dickkupfertechnik bietet sich unter anderem die patentierte Wirelaid-Technologie von Jumatech an, die Schweizer Electronic bereits seit mehr als zwei Jahren einsetzt. Bei dieser Technik werden diskrete Drähte in das Innere der Leiterplatte eingebracht, was eine partielle und definierte Vergrößerung von Leiterbahnquerschnitten zur Handhabung hoher Strombelastungen ermöglicht. Versilberte Kupferdrähte im Inneren der Platine schaffen also weitere Verbindungen für den Transport hoher Ströme. Weil das aufwändige Ätzen von bis zu 400 µm dicken Kupferschichten entfällt und die SMT-fähige Außenlage für die Signalverdrahtung frei bleibt, ist es auch möglich, Steuerungs- und Leistungselektronik auf einer Platine bzw. sogar auf einem Layer gemeinsam zu platzieren. Bei dieser Lösung steht unter anderem der Kostenaspekt stark im Vordergrund.
  • Combi-Board: Beim »Combi Board«, einer eigenen Entwicklung von Schweizer Electronic, ist der Ansatz ähnlich wie bei Wirelaid. Der Grundgedanke besteht darin, Dickkupfer nur in den benötigten Bereichen einzusetzen, um das teure Grundmaterial so effektiv wie möglich zu nutzen. So wird beim Combi Board eine Innenlage gefertigt, die sowohl Dickkupferbereiche für Hochstromanwendung als auch Standardkupferdicken zur feineren Signalführung aufweist. Auch dieser Aufbau eignet sich dazu, Logik und Leistungselektronik auf einem Board zu kombinieren.
  • IMS Board: IMS steht für »Insulated Metal Substrate«. Zum Einsatz kommen also spezielle Materialien, die eine hohe thermische Leitfähigkeit bei gleichzeitig guter elektrischer Isolation bieten. Daher zeichnet sich diese Leiterplattentechnik vor allem durch ihr sehr gutes Wärmemanagement aus. Eine vollflächige, massive Metallrückseite gewährleistet die schnelle und effiziente Temperaturspreizung und verhindert somit Hotspots. IMS Boards verfügen in der Regel über Aluminium-Rückseiten - allerdings nicht bei Schweizer. Das Unternehmen verwendet eine Kupferträgerplatte, unter anderem; weil Kupfer als Leiterplattenmaterial bekannt und mit allen Leiterplattenprozessen verträglich ist. Somit lassen sich viele Erfahrungswerte, die man mit anderen Leiterplattentechniken gemacht hat, auch auf das IMS Board übertragen.
  • Inlay Board: Sind maximale Entwärmung sowie maximale Stromtragfähigkeit gefragt, ist das Inlay Board die Technik der Wahl, zum Beispiel als Ersatz zu Stromschienen. Mit dem Einsatz von Kupfer-Inlays mit einer Dicke von bis zu 2 mm  können auf der Leiterplatte Bereich geschaffen werden, die Stromspitzen von deutlich über 1000 A erlauben. Inlays empfehlen sich auch zur reinen Bauteilentwärmung.