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Mathilde Bergmann
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2 Leiterplattentechnik im Wandel Der zunehmende Einsatz von erneuerbaren Energien und CO 2 -reduzierten Antriebstechniken führt zu neuen Herausforderungen im Bereich der Leistungselektronik. Die dabei auftretenden hohen Ströme und erforderliche Entwärmungskonzepte können nur durch angepasste Leiterplatten Designs ermöglicht werden. Die hohe Entwicklungsdynamik im Hardwarebereich unterliegt ständig den Herausforderungen an die Wirtschaftlichkeit, daher werden heute Systembetrachtungen mit begleitenden Design-to-cost Studien durchgeführt, um optimale Lösungsansätze zu finden. Entscheidende Vorteile bieten hierbei auch Entwicklungsprojekte zwischen Kunde und Lieferant, um später einen sicheren Serienhochlauf gewährleisten zu können. Die Schweizer Electronic AG hat sich auf Sonderlösungen im Bereich Leistungselektronik, Embedding und Systemkostenreduktion spezialisiert und bietet mittlerweile einen umfangreichen Baukasten mit zahlreichen Design-Varianten an. Da es aufgrund von begrenztem Bauraum und Kostenvorteilen immer häufiger zur Mischung verschiedener Leiterplattentechniken kommt, soll ein Wechselrichter Demonstrator im folgenden die vorhandenen Möglichkeiten aufzeigen. Photovoltaik-Wechselrichter beinhalten heute zwischen 3 bis 22 Baugruppen, die durch intelligente Konstruktion auf nur eine Baugruppe reduziert werden können. So ist höchste Effizienz mit gleichzeitig günstigen Systemkosten kombinierbar. Der Demonstrator basiert auf dem Grundkonzept des all in 1 PCB, welche aus vorgefertigten Einlegeteilen mit funktionsangepassten Aufbauten besteht. Die zuverlässige Herstellbarkeit resultiert hierbei aus den Erfahrungen des SCHWEIZER Combi Board, SCHWEIZER Inlay Board und Jumatech Wirelaid TM. Optional können in diese Einlegeteile zusätzlich auch aktive und passive Bauelemente eingebettet werden. Mit dem SCHWEIZER i² Board sind im Logikbereich Bare Dies auf Interposer Plattform mit weiteren passiven Bauelementen integrierbar. Mit SCHWEIZER p² Pack können im Leistungsbereich aufwändige DCB`s (Direct Copper Bonding-Substrate: Keramische Substrate) substituiert werden, indem die MOSFET oder IGBT direkt in den Schaltungsaufbau eingebettet werden. Mit der SCHWEIZER FR4 Flex Technologie können abschließend die unterschiedlichen Funktionsbereiche durch Biegetechnik an den Geräteaufbau angepasst werden. Durch unsere herausragende Anlagen- und Prozesstechnik sind weitere Designfreiheiten im Kontaktierungsbereich möglich. Weitergabe und Veröffentlichung nur mit Zustimmung der Schweizer Electronic AG Seite 2

Die hohe Entwicklungsdynamik im Hardwarebereich unterliegt ständig den Herausforderungen an die Wirtschaftlichkeit, daher werden heute Systembetrachtungen mit begleitenden Design-to-cost Studien

3 Ausgangsmaterial des Demonstrators ist eine 2 mm dicke Innenlage. Im dargestellten Strukturbereich handelt es sich nach dem Verpressen also um eine übliche 4-Lagenschaltung. Die Techniken im Einzelnen: Wirelaid-Technologie: Als eine Alternative zur Dickkupfertechnik bietet sich unter anderem die patentierte Wirelaid-Technologie von Jumatech an, die Schweizer Electronic AG 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. Wirelaid Einlegeteil (Kondensatorbereich) (2 x 35 µm Cu + Drähte 250 x 800 µm) 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 Weitergabe und Veröffentlichung nur mit Zustimmung der Schweizer Electronic AG Seite 3

AG bereits seit mehr als zwei Jahren einsetzt.

4 Hochstromanwendungen als auch Standardkupferdicken zur feineren Signalführung aufweist. Auch dieser Aufbau eignet sich dazu, Logik und Leistungselektronik auf einem Board zu kombinieren. Leistungsteil eines Combi Board 4 x 210 µm Cu (z.b. auch Planartrafo) HDI Combi Board: Motivation dieser Variante sind Wirtschaftlichkeitsaspekte. Durch das Einfügen von komplexen Einlegeteilen in ansonsten relativ einfachen Schaltungsstrukturen, sind erhebliche Kostenvorteile erzielbar. Bei dem all in 1 PCB Demonstrator erreichen wir mit dem 6- Lagen Einlegeteil nach dem Verpressen ein 8-Lagenaufbau, wobei die Basisschaltung lediglich 4 lagen aufweist. HDI-Combi Board 6 x 18 µm Cu (Logikbereich) 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. Cu-Inlay 2 mm dick (MOSFET Entwärmung) Combi Board Inlay Aufnahme 4 x 35 µm Cu (Brückenschaltung) Weitergabe und Veröffentlichung nur mit Zustimmung der Schweizer Electronic AG Seite 4

Durch das Einfügen von komplexen Einlegeteilen in ansonsten relativ einfachen Schaltungsstrukturen, sind erhebliche Kostenvorteile erzielbar.

5 Der Demonstrator Aufbau Optionales Logik Embedding mit i² Board für CMOS oder BCDMOS Optionales Power Embedding mit p² Pack für DMOS oder IGBT Weitergabe und Veröffentlichung nur mit Zustimmung der Schweizer Electronic AG Seite 5

p² Pack für DMOS oder IGBT Weitergabe und

6 Auflistung der eingesetzten Verbindungstechniken Die elektrische Verbindung der Einlegeteile erfolgt ausschließlich über Anbindung der beiden Außenlagen (in Biegebereichen auf nur einer der beiden Außenlagen) Via-Plugging überplattiert (Via in pad) Laservia (filling) φ 130µm Mechanische Tiefenbohrungen φ 500µm / 400µm tief Dk Durchmesser > 7 mm 5 mil Strukturen bei 70 µm AL-Cu 2 Cu-Lagen im Flex-Bereich Combi-Plattierung Panel/Patternplating Weitergabe und Veröffentlichung nur mit Zustimmung der Schweizer Electronic AG Seite 6

(filling) φ 130µm Mechanische Tiefenbohrungen φ 500µm / 400µm tief Dk Durchmesser > 7 mm 5 mil Strukturen bei 70 µm AL-Cu 2 Cu-Lagen

7 Weitergabe und Veröffentlichung nur mit Zustimmung der Schweizer Electronic AG Seite 7 Stand Mai 2012

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