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Mittwoch, 22 November 2023 10:59

Leiterplatten für Hochenergieanwendungen

von Guido Scarpa, ALBA PCB Group
Geschätzte Lesezeit: 2 - 4 Minuten
Abb. 1: Musterleiterplatte Abb. 1: Musterleiterplatte

Technologien zur Verbesserung der Wärmeableitung und des Hochstrommanagements in Leiterplatten werden ständig weiterentwickelt, um den Anforderungen immer komplexerer Anwendungen gerecht zu werden.

Für Herausforderungen solcher Anwendungen bietet die ALBA-Gruppe eine Palette technischer Lösungen an. Dies gilt insbesondere, wenn ein digitaler Teil mit sehr strengen Parametern (QFN-Mikrokomponenten, BGA, Layout mit reduzierter Leiterbreite und geringen elektrischen Abständen zwischen den Leitern selbst) mit einem reinen Leistungsteil der Leiterplatte kombiniert werden soll, der eine Kupferdicke von mehr als 70 µm (z. B. bis zu 3 mm) erfordert, um hohen Stromstärken und einem komplexen Wärmemanagement standhalten zu können.

Abb. 2: Mikroskopische Betrachtung des SchliffbildesAbb. 2: Mikroskopische Betrachtung des Schliffbildes

EBB-Leiterplatten (Embedded Bus Bars)

Abb. 3: Beispiel eines Kupferkerns (‚coin‘)Abb. 3: Beispiel eines Kupferkerns (‚coin‘)Leiterplatten mit integrierten Stromschienen verfügen über Streifen oder Schienen aus leitfähigem Material, die in eine oder mehrere Schichten der Leiterplatte eingebettet sind und je nach den spezifischen Anforderungen des Projekts in verschiedenen Formen, Dicken und Größen hergestellt werden können. Sie haben die Funktion, verschiedene Punkte der Schaltung zu verbinden, indem sie sehr hohe Ströme bewältigen, ohne dass es zu thermischen Überlastungen durch den Jouleschen Effekt kommt und ohne dass besondere Vorkehrungen für das Wärmemanagement der Leiterplatte getroffen werden müssen.

Durch diese technische Lösung kann auch die Gesamtgröße der elektronischen Geräte erheblich reduziert werden, da die Installation anderer externer leitender Elemente entfällt. Es ist auch möglich, BusBars herzustellen, die aus dem Profil der Leiterplatte herausragen, so dass sie direkt über Stromanschlüsse mit einem dicken Hochstrom-Metalldraht verbunden werden können.

Die EBB-Technologie wird für eine breite Palette von Anwendungen eingesetzt, z. B. für Stromversorgungs- und Ladesysteme für Elektrofahrzeuge, DC/DC-Wandler und LED-Beleuchtungsgeräte.

ECC-Leiterplatten (Embedded Copper Coin)

Indem man sich die Technologie der eingebetteten Metalle zunutze macht und berücksichtigt, dass die thermische Belastung durch den Betrieb der Leiterplatten bei hohen Temperaturen eine der Hauptursachen für Fehlfunktionen der Leistungsbauteile ist, insbesondere wenn sie mit gedruckten Schaltungen mit hoher Integrationsdichte hergestellt werden, ist es möglich, auf der gedruckten Schaltung eingebettete Metalleinsätze (Kupfer) von beträchtlicher Dicke (in der Größenordnung von Millimetern) anzubringen, die auf den Verlustleistungsbereichen der Leistungsbauteile positioniert werden: Diese Einsätze werden im Allgemeinen als ‚Coins' bezeichnet: Bauteile wie die MOSFET-Transistoren können daher direkt auf diese Einsätze gelötet werden, was ein einfacheres Wärmemanagement ermöglicht, als wenn ein generisches Design eines dissipativen Pads mit oder ohne thermische Durchgänge verwendet würde. Die hohen Temperaturen, die von diesen Leistungsbauteilen erreicht werden, machen es erforderlich, dass die Leiterplatten, die sie aufnehmen, eine wirksame Übertragung und Verteilung der während ihrer Funktion erzeugten Wärmeenergie sowohl auf die Masseflächen der Leiterplatte selbst als auch auf die externen Wärmeableitungsflächen (die dann mit zusätzlichen Kühlkörpern verbunden sind) gewährleisten.

Abb. 4: SchliffbildAbb. 4: Schliffbild

Abb. 5: 2. SchliffbildAbb. 5: 2. Schliffbild

 

Abb. 6: Beispiel EBB – ‚Embedded Bus Bar‘Abb. 6: Beispiel EBB – ‚Embedded Bus Bar‘

Abb. 7: Beispiel ECC – ‚Embedded Copper Coin‘Abb. 7: Beispiel ECC – ‚Embedded Copper Coin‘

 

Gedruckte Schaltungen mit diesen ‚Coins' enthalten daher massive Kupferelemente mit geringen Abmessungen (typischerweise gleich der Verlustleistung des betreffenden Leistungsbauteils) und beträchtlicher Dicke (sogar so dick wie die Leiterplatte), die die Aufgabe haben, die Wärme durch den Schaltungsabschnitt zu leiten. Die Form dieser Einsätze kann rechteckig sein, aber auch nach Bedarf geformt werden (z. B. für parallel oder nacheinander geschaltete MOSFETs). Ihr Profil kann Lippen unterschiedlicher Dicke aufweisen, um den Durchgang von Leitern zu ermöglichen, die nicht mit ihnen verbunden sind (hochdigitales Design). Ebenso können sie mechanisch so bearbeitet werden, dass sie gegenüber der Oberfläche der gedruckten Schaltung, in die sie integriert sind, eine hohle Oberfläche aufweisen.

Diese Technologie wird häufig eingesetzt, um das Wärmemanagement in Designs zu verbessern, in denen es bestimmte lokalisierte Bereiche mit erhöhten Temperaturen gibt, indem ein Kühlkörper in die Leiterplatte integriert wird, aber sie kann auch kombiniert werden, um den verteilbaren elektrischen Strom innerhalb der Leiterplatte zu erhöhen, indem die Technologie mit integrierten Stromschienen kombiniert wird. ECC-Schaltungen werden häufig in der Automobilindustrie, in der Medizintechnik und in der neuen Generation von Telekommunikations-/Datenkommunikationsinfrastrukturen eingesetzt, aber auch auf Hochleistungsleiterplatten in der Industrie.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Integration von ‚Busbars' oder ‚Coins' in gedruckte Schaltungen fortschrittliche und innovative technologische Lösungen darstellen, die im Vergleich zu herkömmlichen Leiterplatten viele Vorteile in Bezug auf Zuverlässigkeit, Leistung, Platzbedarf und Gesamtkosten elektronischer Geräte bieten.

Abb. 8: ‚Grafische Darstellung‘Abb. 8: ‚Grafische Darstellung‘

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  • Ausgabe: 11
  • Jahr: 2023
  • Autoren: Guido Scarpa, ALBA PCB Group

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