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4-2016

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Fachzeitschrift für Elektronik-Produktion - Fertigungstechnik, Materialien und Qualitätsmanagement

Rund um die Leiterplatte

Rund um die Leiterplatte Die Baugruppe ist so dimensioniert, dass die nach dem Biegen entstandenen Leiterplattenlaschen das Gehäuse an den Seiten exakt ausfüllen und die Gehäusewand thermisch kontaktieren (Bild: Häusermann) Nachteil: Das Gehäuse besteht fast ausschließlich aus Kunststoff und hat nur stehend verbaute Kühlkörper. Für die Motorsteuerung bedeutet das eine erhöhte Leistungsdichte im Kunststoffgehäuse. Die Wärme der Leistungsbauteile muss an den Rahmen des Gehäuses abgegeben werden. Das dichte Hochstromnetz sollte zudem mit einer Steuerelektronik kombiniert werden. Thermosensoren an den Leistungshalbleitern überwachen die Temperatur und regeln die Lüfterdrehzahl. technosert electronic hatte auf einem Technologie tag die HSMtec- Leiterplatte kennengelernt. HSMtec war die einzige Möglichkeit, das Projekt zu entwickeln. Um keine Zeit zu verlieren, holte man sich das Applikationsteam von Häusermann als Entwicklungspartner ins Boot. Das Verfahren Beim HSMtec-Verfahren werden 500 µm dicke Kupferelemente in den Innenlagen des Multilayers verlegt. Die Kupferelemente werden per Ultraschall-Verbindungstechnik stoffschlüssig mit den geätzten Leiterbildern verbunden. Nach dem Verpressen der Lagen befinden sich die Kupferprofile im FR4- Multi layer. Die integrierten Kupferelemente übertragen Ströme von bis zu 400 A und drosseln zudem die Hitzeentwicklung zügig auf zulässige Partialund Systemtemperaturen. Ein Blick auf die spezifische Wärme leitfähigkeit zeigt die Bedeutung des durchgängig metallischen Pfades von der Quelle bis zur Senke und das Potential von HSMtec. Kupfer leitet Wärme 1000-fach besser als FR4. Durch die intelligente Kombination von integrierten Kupferprofilen mit Thermovias ist es möglich, die Leistungsbauteile direkt mit den Kupferprofilen zu verbinden und Engpässe im thermischen Pfad zu vermeiden. Ein wärmetechnisch optimierter Lagenaufbau sorgt zusätzlich für rasche Wärmespreizung und unterstützt das gesamte thermische Konzept. Ein Praxisbeispiel zeigt dies anschaulich: Die Stromtragfähigkeit einer Leiterbahn kann sich verdoppeln, wenn zwei Masseinnenlagen darunter liegen, die keine Eigenerwärmung haben. Ein weiteres Beispiel zeigt das Potential von Thermovias: Auf einer Fläche von 10 x 10 mm ist es möglich, mehr als 400 durchkontaktierte Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,25 mm zu platzieren, womit die Fläche dann zu 10% aus Kupfer besteht. Die effektive Wärmeleitfähigkeit einer solchen FR4- Fläche erhöht sich mit dieser Designmaßnahme auf 30 W/m·K. Damit ist diese Konstruktion hundert mal besser wärmeleitend als FR4 und noch zehnmal besser leitend als die besten Wärmeleitsubstrate. HSMtec wurde von unabhängigen Prüfinstituten qualifiziert und setzt auf übliches FR4-Material. Zudem wird es im Standard-Herstellungsprozess gefertigt und lässt sich im üblichen Bestückungs- und Lötprozess weiterverarbeiten. Möglichkeiten und Kosten Dichtes Hochstromnetz und Steuerelektronik Die Steuereinheit für das Laubgebläse hat zwei Powerblöcke und einen Logikblock. Die Powerblöcke werden mit je 10 bis 32 V und 60 A versorgt. Jeder Block hat vier Halbbrücken vom Typ BTN8962TA von Infineon, die je 15 A im High- oder Low-Modus treiben. Da die Konfiguration in jedem Anwendungsfall unterschiedlich sein kann, muss sowohl die GND- als auch die V CC - Anbindung der vollen Last gewachsen sein. Mit einer HSMtec-Leiterplatte war es möglich, die SMD-Leistungsbauteile mit dem Kühlkörper und der Versorgung zu verbinden und zusätzlich die Temperatur des Treibers zu messen. Außerdem ließ der enge Bauraum nur eine dreidimensionale Lösung zu. Die 3D-Verformbarkeit ist ein weiterer Vorteil von HSMtec, den die technosert-Entwickler nutzen. Die Kupferprofile, die im FR4-Material des Multilayers verpresst sind, lassen sich biegen. Für den Biegeprozess wird an den Biegekanten das FR4 mit Kerbfräsungen abgetragen. An diesen Sollbiegestellen lassen sich einzelne Segmente mit einem Neigungswinkel bis ±90° ausrichten. Die Besonderheit: Die Kupferdrähte und Kupferprofile erlauben eine selbsttragende Konstruktion und führen hohe Ströme oder Wärme über die Biegekante ab. Die 3D-Konstruktion ist prädestiniert für Einmalbiegungen z.B. für Anwendungen, bei denen der flexible Bereich nur für den Einbau der Baugruppe gebogen wird. Die Leiterplatte ist qualifiziert nach DIN EN 60068-2-14 und JEDEC A Die Leiterplattentechnologie HSMtec steht für Hochstromfähigkeit, Thermomanagement und 3D-Formen. Diese Eigenschaften ermöglichen in den Innenlagen eines FR4-Multilayers verpresste Kupferprofile, die hohe Ströme führen und schnell Wärme verteilen. Da die Kupferprofile partiell in der Leiterplatte integriert sind, lassen sich Last und Logik auf einer Baugruppe kombinieren. Leiterplattensegmente lassen sich an gefrästen Kanten senkrecht zu den Kupferprofilen nach dem Bestücken bis zu 90° biegen. Die Kupferelemente ermöglichen eine selbsttragende dreidimensionale Form und leiten Wärme über die Biegekante ab. Alle drei Möglichkeiten senken die Systemkosten. Empfehlungen und Design Rules für HSMtec: www.haeusermann.at/de/leiterplatten/leiterplatten-technologien/hsmtec Kalkulator für Hochstrom-Leiterbahnen: www.haeusermann.at/de/node/642 56 4/2016

Rund um die Leiterplatte Acht Halbbrücken müssen mit drei 15-A-Leitungen zu den Steckern angeschlossen sein. Die Wärme wird über zwei Biegekanten und Leiterplattenlaschen an das Gehäuse ableitet (Bild: technosert) 101-A sowie für Luftfahrt und Automotive auditiert. Ein weiterer Vorteil: Durch die niedrige Feuchtigkeitsaufnahme im Gegensatz zu Flexfolien bei den Biegeanwendungen entfallen zumeist thermische Vorbehandlungen beim Löten. Außerdem sind alle weiteren Prozesse vollständig kompatibel zum Standard-Fertigungsprozess. Typisch und vorteilhaft ist, dass die Leiterplatten als zweidimensionale Leiterplatte layoutet, im Nutzen gefertigt und bestückt werden. Nach dem Bestücken bzw. zur Montage der Baugruppe wird die Leiterplatte in die dreidimensionale Form gebogen. In der Steuereinheit müssen acht Halbbrücken mit 3 x 15 A Leitungen zu den Steckern angeschlossen sein. Im Betrieb darf die Umgebungstemperatur maximal 80 °C erreichen. Das thermische Management der Motorsteuerung haben die Entwickler über eine dreidimensionale Konstruktion gelöst: Die Entwärmung der Halbbrücken erfolgt über zwei Biegekanten zu Leiterplattenlaschen, die im Gehäuse mit einem Aluminium-Kühlkörper verklebt wird. - kompakte Tischmaschine - - Linearmotortechnologie - Die Laschen befinden sich an zwei gegenüberliegenden Seiten und werden nach dem Bestücken der Leiterplatte um 90° nach oben gebogen. Die integrierten Kupferprofile verteilen die Wärme der Leistungs halbleiter und führen sie über die Biegekanten und Leiterplattenlaschen zur Gehäusewand auf einen Aluminium-Kühlkörper. Häusermann fertigt die Leiterplatte für die Motorsteuerung mit Hochstromprofilen und integriertem Entwärmungskonzept. Als Basismaterial wurde FR4 R1566W von Panasonic verwendet, und die Lötoberfläche ist chemisch Nickel-Gold. Der Vierlagen-Multilayer ist nur 1,7 mm dick und hat es in sich: Auf der gerade mal rund 197 x 152 mm Grundfläche befinden sich 12 mm breite Profile auf Lage 1 über Biegekanten zum Entwärmen der Halbbrücken; 2, 4 und 8 mm breite Profile auf Lage 1 für die Ströme von 15 und 60 A sowie 2 und 4 mm breite Kupferprofile auf Bottom für die Ströme 15 und 60 A.Für die Auswahl der notwendigen Breiten und Querschnitte der Kupferprofile stehen Entwicklern Design Rules und ein Online-Hochstrom-Kalkulator zur Verfügung. Häusermann GmbH technosert electronic GmbH Nutzentrenner max. Arbeitsbereich 320x580mm Abbildung zeigt LOW MINI mit Untergestell ab € 23.000,- Made in Germany Wärmeleitfähigkeit und Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen in Leiterplatten verwendeten Materialien. Tabelle: Häusermann Web: www.hoelzer.de Tel: +49 (0) 6173 / 9249-0 4/2016 57

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