Im Mai veranstaltete der FED in Seefeld den 13. PCB-Designer-Tag. Gastgeber war die TQ-Group. Unter dem Motto ‚High Power, High Performance: Elektronik für die Herausforderungen von morgen' wurden die steigenden Anforderungen an das Leiterplatten- und Baugruppendesign sowie zukunftsweisende Lösungen in der Leistungselektronik erörtert.
Erika Reel, Vorstand für den Bereich Design im FED, eröffnete die rund 80 Besucher zählende Veranstaltung. Im Rahmen der Begrüßung erwähnte sie, dass Mitarbeitende der TQ-Group schon mehrmals mit dem Design Award ausgezeichnet worden sind, und rief dazu auf, sich am Design Award und am Paul Award zu beteiligen. Anschließend begrüßte Rüdiger Stahl, Geschäftsführer der TQ-Group, die Anwesenden und stellte sein Unternehmen und dessen Portfolio vor. Er betonte dabei: „Die Idee der Kunden ist unsere Mission.“ So werden neben Standard- und kundenspezifischen Produkten v. a. umfassende EMS-Dienstleistungen von der Entwicklung bis hin zu Produkt-Lebenszyklusmanagement und -Compliance angeboten.
Moderiert wurde der PCB-Designer-Tag von Markus Biener, Stellvertretender Beiratsvorsitzender und Regionalgruppenleitung Nürnberg des FED. Zur Einführung stellte er den FED und dessen Angebote vor und ging dann auf das Programm der Veranstaltung ein, das Themen von Hochstrom- und Wärmemanagement über Power-Integrity und EMV-gerechtes Design bis hin zu Isolationsstrategien und Praxiserfahrungen mit High-Power-Layouts umfasste.
Erika Reel
Rüdiger Stahl
Markus Biener
Hochstrom- und Wärmemanagementlösungen
Johann Hackl, KSG Austria, erläuterte im ersten Beitrag, welche Lösungen für Hochstrom und Wärmemanagement auf und in der Leiterplatte verfügbar sind, um die steigenden Leistungsanforderungen sicher und effizient zu erfüllen. Dazu verglich er die von KSG angebotenen Leiterplattenlösungen Multilayer, Dickkupfer, Iceberg, HSMtec/Embedded Copper, Kupfer-IMS und 3D-Erweiterungen hinsichtlich ihres Leistungsvermögens für hohe Ströme und Wärmeableitung sowie ihrer Designvorteile. Multilayer-Leiterplatten sind als Standardtechnologie für geringe Stromstärken eine kostengünstige Lösung. HSMtec-Leiterplatten sind eine All-in-One-Lösung für hohe Ströme bis >500 A in Kombination mit Steuerelektronik, Wärmemanagement und 3D-PCB-Technik. Eine 3D-Erweiterung mit integrierten Kupferprofilen ermöglicht Signal- und Hochstromverbindungen, Wärmetransfer sowie mechanisch stabile (Semiflex-)Biegungen von herkömmlichen Multilayern. Johann Hackl erläuterte anschließend im Detail die Einflussfaktoren auf die Stromtragfähigkeit und auf das Wärmemanagement. Für die Praxis können als Richtwerte herangezogen werden, dass pro 25 K über Raumtemperatur sich der elektrische Widerstand um 10 % erhöht und die Strombelastbarkeit eines Leiters auf/in einer Leiterplatte um 5 % abnimmt. Johann Hackl ging weiterhin auf die Eigenschaften verschiedener Designlösungen ein und verwies dazu auf den Digital Design Compass.[*]
Komplexes Optimierungsproblem erfordert Designsimulation
Danach informierte Ralf Brüning, Zuken GmbH, über „Power-Integrity und Abblockung – komplexe Herausforderungen und passende Lösungen“. Dabei stellte er Konzepte und gezielte Strategien vor, den steigenden EMV- und Versorgungsanforderungen moderner Hochleistungsbaugruppen zu begegnen. Beim High-Speed-Design kommt der Auslegung der Stromversorgung und der Abblockkondensatoren enorme Bedeutung zu. Denn mehr als allgemeine Designrichtlinien sind zu berücksichtigen. Neben den Designempfehlungen der IC-Hersteller sind die möglichen Designlösungen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Signalintegrität, EMV und Powerintegrität zu analysieren. Zu diesem komplexen Optimierungsproblem sind Simulationstools verfügbar. Ralf Brüning zählte zudem Designregeln für Abblockkondensatoren und Stromschleifen auf und ging abschließend auf kommende KI-Anwendungen beim Design ein.
Hermann Möhring
Michael Schleicher
EMV-basierte Entwicklung
Patrick KlakNach einer Networking-Pause gab Hermann Möhring, TQ-Group, in seinem Beitrag über ‚EMV-basierte Entwicklung: Erfolg beginnt mit gutem Design', ausgehend von den EMV-Aspekten, praxisorientierte Hinweise für das EMV-gerechte Leiterplattendesign. Bei Niederfrequenz nimmt der Rückstrom den kürzesten Weg, was ein Risiko für große Loop-Antennen und dadurch hohe Abstrahlung ist. Bei Hochfrequenz nimmt der Rückstrom den Weg des Signalstromes, sodass aufgrund der kleinen Loop-Antennen die Abstrahlung gering ist, sofern die Versorgungsspannungslagen nicht (z. B. durch Schlitze) unterbrochen sind. Hermann Möhring zeigte auf, wie solche typischen Störquellen (z. B. Leiterschleifen) frühzeitig erkannt und Rückstromwege optimiert werden können (z. B. mittels Bypass-Kondensator). Weiterhin beschrieb er den generellen Entwicklungsablauf bei TQ mit Concurrent Engineering. Die EMV-Stabilität wird von Beginn an mitentwickelt und nicht nachträglich hineingetestet. Dazu erfolgen EMV-Reviews vor jedem Meilenstein mit genug Zeit zum Einarbeiten in das aktuelle Redesign. Die Prototypen werden optisch und messtechnisch bewertet, wobei zur Absicherung der Serienqualität eine Sicherheitsmarge von 6dB für Abstrahlung und von 10 % für die Störfestigkeit gilt. Zum Dienstleistungsangebot von TQ gehören auch EMV- und Funkprüfungen, wofür ein eigenes Labor zur Verfügung steht.
Sichere Isolation auf und in der Leiterplatte realisieren
Anschließend beleuchtete Michael Schleicher, Semikron Danfoss, wie sich eine sichere Isolation auf und in der Leiterplatte unter Einhaltung geltender Normen und physikalischer Rahmenbedingungen zuverlässig realisieren lässt. Dabei ging er von der Niederspannungsrichtlinie und den zugehörigen harmonisierten Normen aus. Für die Isolationskoordination, die Abstimmung zwischen den Spannungsbeanspruchungen und dem Stehvermögen elektrischer Isolierungen muss eine große Anzahl an elektrischen Informationen zum Produkt insbesondere Produktnormen, zu Betriebsbedingungen und Rahmenbedingungen sowie Luft- und Kriechstrecken betrachtet werden. Michael Schleicher verdeutlichte dies sowie die Physik anhand von Beispielen. Dabei ging er u. a. auf die Effekte ein, die zu Überschlägen, Durchschlägen und Kurzschlüssen bei Leiterplatten führen. Die elektrochemische Migration kann mit der Zeit Kurzschlüsse verursachen, was mittels SIR-Test bewertet werden kann. Auf Außenlagen kann per Inkjet aufgebrachter Lötstopp die EMC-Robustheit erhöhen. Mit entsprechender Leitungsführung, Lagenaufbau, Materialauswahl (Basismaterial, Lötstopp) kann die Robustheit erhöht werden. Beispiele für Lagenabstände/Isolationsdicken finden sich in IEC-Normen beschrieben.
Die Pausen wurden für den fachlichen Austausch genutzt – und einen Blick in die PLUS
Realisierung eines 640 A-Messsystems
Zain AliDen Schlusspunkt im Vortragsprogramm setzten Patrick Klak, GCD Printlayout, und Zain Ali, Advantest Europe, mit dem Beitrag ‚High Power im Design – Von der Entwicklung bis zum fertigen Produkt'. Sie erläuterten am Beispiel eines 640 A-Messsystems für die XHC32 Performance Verifikation ausgehend von den Anforderungen, wie sich diese von der Entwicklung bis zur fertigungsgerechten Leiterplatte umsetzen lassen. Dabei gingen sie auf den Aufbau und die Details des Messsystems und seiner Einheiten sowie der Leiterplatten ein.
Fertigungsführung durch die TQ-Group
Ein besonderes Highlight bildete am Nachmittag die Fertigungsführung in kleinen Gruppen durch die Räumlichkeiten der TQ-Group. Die Teilnehmer erhielten dabei spannende Einblicke in eines der modernsten Produktionsumfelder Deutschlands. Zahlreiche Gespräche in den Fertigungsbereichen rundeten den Tag ab und stärkten die Verbindung zwischen Theorie und Praxis.
Fazit
Bereits am Vorabend der Veranstaltung hatte ein Businessdinner auf dem TQ-Veranstaltungsgelände am Wörthsee den Auftakt gebildet – bei entspannter Atmosphäre, gutem Essen und lebhaften Diskussionen.
Der 13. PCB-Designer-Tag bot eine gelungene Kombination aus Weiterbildung, Erfahrungsaustausch und persönlichem Networking und zeigte einmal mehr, wie wichtig qualitätsorientiertes Design, technologische Innovationskraft und ein starker fachlicher Austausch für die Weiterentwicklung der Branche sind. Erika Reel zeigte sich hochzufrieden mit dem Verlauf der Veranstaltung: „Der PCB-Designer-Tag bietet eine hervorragende Plattform für den persönlichen Austausch unter Designern. Das ist in dieser hoch spezialisierten Community ein unschätzbarer Gewinn. Sei es bei den Fachvorträgen oder beim Netzwerken: Weiterbildung lebt vom Dialog, und genau diesen fördern wir gezielt mit dieser Veranstaltung.“
