Bypässe für hohe Ströme Wirelaid - Partielle Hochstromlösungen, Technologie und Anwendung.

Transkript

1 Bypässe für hohe Ströme Wirelaid - Partielle Hochstromlösungen, Technologie und Anwendung

2 Agenda Einführung Design Guide Thermische Betrachtung Preisvergleich, thermische Betrachtung WIRELAID vs Standard Anwendungsbeispiel Kostenvergleich FAQ Wissenswertes Referenzen Ausblicke Seite 2

3 Einführung Anforderungen des Marktes: Ströme (300A und mehr) Logik (SMD, Feinleiter) Auf einer Leiterplatte nutzen Seite 3

4 Einführung Das Prinzip Einsatz von Drähten zur Realisierung von Hochstromleiter Leistungs- und Steuerungselektronik auf einem Layer oder Board Alternative zu Dickkupfer, Inlays bei geringer Lagenanzahl Die Technik Anschweißen von Kupferflachdrähten (1,4mm x 0,35mm) auf der Treatmentseite (spätere Innenseite) von Standardkupferfolien Nach dem Verpressen liegen die Drähte im inneren des Laminates, eingebettet im Prepreg Zusätzlicher Querschnitt unter einem gewöhnlichen Leiterzug Außenlagen bleiben SMD-fähig Seite 4

5 Einführung 3D Fähigkeit Tiefenfräsung durch das Basismaterial Komplexe Einbauräume ohne Stecker Große Querschnitte bei kleinsten Biegeradien (<1mm) möglich Sichere, vollintegrierte 90 Hochstromanwendung Seite 5

6 Einführung Für eine tiefergehende Einführung nutzen Sie bitte unser Webinar Archiv: Videomitschnitt Präsentationsfolien als pdf übrigens für alle bisherigen Webinarinhalte Seite 6

7 Agenda Einführung Design Guide Thermische Betrachtung Preisvergleich, thermische Betrachtung WIRELAID versus Standard Anwendungsbeispiel Kostenvergleich FAQ Wissenswertes Referenzen Ausblicke Seite 7

8 WIRELAID versus Standard Anforderung Kunde: 20A bei 20K (35µm Basis-Cu) 0,63mm² 8,9mm 4,5mm 1,9mm Mit WIRELAID Einsparung von 78,7% WIRELAID Querschnitt Draht Leiter über Draht (35µm Basis-Cu) Breite Standardleiter (35µm Basis-Cu) Reduzierung Routingfläche F14 0,5mm² 1,9mm 8,9mm 78,7% Seite 8

9 Agenda Einführung Design Guide Thermische Betrachtung Preisvergleich, thermische Betrachtung WIRELAID vs Standard Anwendungsbeispiel Kostenvergleich FAQ Wissenswertes Referenzen Ausblicke Seite 9

10 Design Guide NEU Seit der Messe electronica 2014 gibt es den neuen WIRELAID Design Guide 1.2 neu: Nomenklatur neu: Designhinweise für die Verwendung der WIRELAID Lagen neu: Kostenvergleiche neu: Stromeinspeisung englische / französische Versionen folgen bald Seite 10

11 Design Guide: Nomenklatur von WIRELAID Lagenaufbauten MLn n = Anzahl der Lagen a, b, c : Lagen mit Drähten Seite 11

12 Design Guide: Außenlage? Innenlage? Überlegungen 1: Komplexere Logikschaltungen verwenden SMD-Bauteile wie Controller und Speicher mit feinen Anschlussrastern. Um die Bestücklagen für Feinstleiterstrukturen frei zu halten, werden die WIRELAID Drähte auf innen liegende Lagen verlegt. Anforderungen bezüglich EMV und mehreren Versorgungsspannungen geführt auf Innenlagen, können nun mit Standardkernen und geringeren Kupferdicken erfüllt werden. Die Anzahl der Lagen ist dabei im Vergleich zum Standard Multilayer meist gleich, siehe Aufbau ML6 Seite 12

13 Design Guide: Außenlage? Innenlage? Überlegungen 2: Spielt die Entwärmung durch direkten Kontakt zum Gehäuse eine Rolle oder werden Leistungshalbleiter wie IGBT oder D²PAK direkt auf der Außenlage bestückt, dann wird diese Außenlage als WIRELAID Lage mit geschweißten Drähten verwendet. Siehe Aufbau ML6 Dies sollte ebenfalls für einfachere Logikschaltungen angestrebt werden. Außerdem werden viele Durchkontaktierungen und damit Kosten eingespart, wenn die Leistungsbauteile direkt auf dem Landepad der WIRELAID Drähte ankontaktiert werden können. Für einfache Schaltungen kann es möglich sein, die Anzahl der Lagen zu reduzieren. Seite 13

14 Agenda Einführung Design Guide Thermische Betrachtung Preisvergleich, thermische Betrachtung WIRELAID vs Standard Anwendungsbeispiel Kostenvergleich FAQ Wissenswertes Referenzen Ausblicke Seite 14

15 Anwendungsbeispiel Strombelastung dauerhaft 70 A Zul. maximale Temperatur 80C Vorher: 8 Lagen, davon 6 Innenlagen mit 105µm Cu Nachher: 4 Lagen mit Wirelaid ML4 Wire@2 Kostenvorteile durch geringere Lagenanzahl und Kaschierungsdicke Seite 15

16 Kostenvergleich: zur konventionellen Lösungen Ausgangssituation Eine Multilayerschaltung mit 6 Lagen, je 105µm Cu, übernimmt den Hochstrombereich. Die Logik wird auf einem Modul mit Feinleitertechnik realisiert und per Steckverbinder auf die Hauptplatine kontaktiert. Neue Lösung mit WIRELAID Durch die Möglichkeit der Feinstleiterstrukturen auf den bestückfähigen Lagen kann das Logikmodul komplett integriert werden. Die Verbindungstechnik entfällt ebenso wie alle anderen Systemkosten für das Modul und die Integration. Seite 16

17 Kostenvergleich 1: Leiterplattenebene Seite 17

18 Kostenvergleich 2: Systemebene Die Kosten können in diesem Beispiel praktisch halbiert werden. Beeindruckend ist auch das enorme Einsparpotenzial bei den Einrichtekosten, die absolut gesehen insbesondere bei kleinen Stückzahlen entscheidend sind. Seite 18

19 Häufig gestellte Fragen zur Technologie aus Kundensicht FAQ der WIRELAID-Technik Beispielhafte Erfahrungen aus dem Alltag 1. Gibt es Hot Spots an den Drahtübergängen? 2. Wie realisiert man Stromeinspeisung und Ausleitung? Seite 19

20 FAQ - Erfahrungen aus dem Alltag Hot Spots an den Drahtübergängen? Nein Erhöhte Stromdichte Abstand zwischen Drähte durch Designregeln bestimmt Untersuchung des Problems Thermografische Analyse Hintergrund: Leistungsabfall am Ohm'schen Widerstand Mit P = I² x R, höhere Stromdichte S Lösung: durch hohe lokale Wärmekapazität entsteht kein HotSpot Es gilt die Beziehung (Rechnung) I [A] = 9,1 [mm²] 0,68 * ΔT [K] 0,43 Seite 20

21 FAQ: Einspeisung und -ausleitung durch Powerelemente bis 50 A: SMD Powerelemente Kein Durchbohren der Pads Ideal für WIRELAID Standard Bestück- und Lötprozess Im Gurt mit Ansaugkappe erhältlich Innen- und Außengewinde M3 oder M4 über 50 A: Press-Fit Powerelemente Lötfreie, hochzuverlässige Verbindungstechnik Innen- und Außengewinde bis M10 Haltekräfte nach IEC Bohrlochspezifikation für Einprsstechnik beachten! WIRELAID Drähte nicht durchbohren! mehr Infos: we-online.com/powerelements Seite 21

22 FAQ: Einspeisung und -ausleitung durch Powerelemente Press-Fit Powerelemente Spezifikation Einpressbohrungen: chemische Oberflächen HAL Oberfläche Seite 22

23 FAQ: Einspeisung und -ausleitung durch Powerelemente Press-Fit Powerelemente WIRELAID Drähte dürfen nicht durchbohrt werden! Querschnittsvergleich: Schweißfläche am Draht / Pad: ca. 1mm 0,8mm² Anbindungsfläche in Bohrhülse: Bohr 1,45mm,* Drahtdicke 0,35mm Hülsenquerschnitt Bohrung 1,45mm, 25µm Cu in der Hülse: 0,6mm² 0,11mm² Seite 23

24 Agenda Einführung Design Guide Thermische Betrachtung Preisvergleich, thermische Betrachtung WIRELAID vs Standard Anwendungsbeispiel Kostenvergleich Wissenswertes Referenzen Ausblicke Seite 24

25 Thermische Betrachtung (TRM Software Adam Research) Antrieb Stellmotor 75A Layout Wirelaid ML4 IL70µm, AL 35µm Cu Basis Antrieb Stellmotor 75A Layout konventionell ML6, je 70µm Cu Basis Seite 25

26 Thermische Betrachtung (TRM Software Adam Research) Festlegen des Simulationsbereiches nach: Stromdichte S Elektrische Leitfähigkeit σ (Sigma) Wärmeleitfähigkeit λ (Lambda) Layer Stack Up Seite 26

27 Thermische Betrachtung (TRM Software Adam Research) Reale IR Messung Antrieb Stellmotor 75A Layout konventionell Tmax: 35,3 C Simulationsergebnis Antrieb Stellmotor 75A Layout WIRELAID Tmax 33,8 C Seite 27

28 Thermische Betrachtung (TRM Software Adam Research) Reale IR Messung Antrieb Stellmotor 75A Layout Wirelaid Tmax: 27,4 C Durch den Aufbau mit Wirelaid konnte bei besserer Performance ein Core (2 Lagen) und Basis Cu eingespart werden Seite 28

29 Thermische Betrachtung: Demonstrator links: Multilayer 6 Lagen je 105µm Kupfer rechts: 2 Lagen ML2 Wire@1@2 je 35µm Kupfer, Wires F14 Ergebnis bei 50A: Praktisch gleiche Erwärmung, gemessen mit Optris IR-Kamera Mit freundlicher Unterstützung der Firma Optris, Berlin Seite 29

30 Es folgt eine Kurzumfrage Welche Aussagen treffen auf WIRELAID zu? Seite 30

31 Agenda Einführung Design Guide Thermische Betrachtung Preisvergleich, thermische Betrachtung WIRELAID vs Standard Anwendungsbeispiel Kostenvergleich Wissenswertes Referenzen Ausblicke Seite 31

32 Wissenswertes: Fertigung der WIRELAID Folien Herstellungsschritte aktuelle Evolutionsstufe: es sind Basismaterialien und Drähte mit angepaßten Oberflächen in erprobten Kombinationen bis hin zu Temperaturen von 180 C erhältlich Seite 32

33 Wissenswertes: Anwendungsbereich von WIRELAID Die Stromtragfähigkeit bei WIRELAID hat keine typische untere Grenze. Auch kleine, flächensensitive Schaltungen können profitieren Aktuelle Anwendungen realisieren Ströme bis ca. 300A Die obere Grenze der Ströme begrenzen lediglich ökonomische Aspekte Seite 33

34 Wissenstwertes: Supplier base: WIRELAID Lizenznehmer 5 lizensierte deutsche Hersteller 2 asiatische Produzenten für hohe Volumen Verhandlung mit 2 weiteren Herstellen international Schweißmaschinen: 6. Evolutionsvariante für den erweiterten Einsatz bei anderen Herstellern Serienproduktion diverser Applikationen im Bereich 10k/y Seite 34

35 Referenzen: WIRELAID Qualifikationen HTG Lagerung: Bosch Norm BV Y273 R h bei 140 C Feuchte Klima: IPC TM h bei 85 C und 85% RH TWT: IPC 6012 B, 1000 Zyklen BV Y273 R80029 Korrosion: IPC612 B / TM 650 Prüfung auf Silbermigration Dauerschock: EN Impulse (11ms) bei max. 50G Delamination: IPC 6012B Lötbadtest 10s bei 288 C UL: Kategorie ZPMV2/8 Full Recognition mit MOT und CTI in Arbeit Seite 35

36 Referenzen: WIRELAID Anwendung Windkraft Pitchverstellung Vorher: ML6 Nachher: ML4 Seite 36

37 Referenzen: WIRELAID Anwendung Industrie AC Servo Verstärker Strombelastung dauerhaft 50 A Maximal zul. Temperatur 80C Vorher: 2 Leiterplatten, 6 Lagen mit 70µm Nachher: 1 Leiterplatte, ML6 + 3D Vorteile: Herstellung LP, Bestückung, Test, Lager und Wegfall des Moduls und der LP Verbinder Seite 37

38 Referenzen: WIRELAID Anwendung automotive Kfz Komponenten Dauerprüfstand Vorher: Nachher: Kombination Flachkabel / Stecker Leiterplattenverbindung, 2 Leiterplatten ML4 1 Leiterplatte, ML4 + 3D Vorteile: Wegfall sämtlicher manueller Vorgänge, vollintegrierte LP Verbindung, mehr LP Nutzfläche Seite 38

39 Referenzen: WIRELAID Anwendung E-Bike Antriebssteuerung, Ladeelektronik (Abbildung beispielhaft) Vorher (fiktiv): ML6 70µm/4x210µm/70µm Nachher (in Entwicklung): ML6 Wire alle 70µm Vorteile: Reduktion auf 70µm Basis Cu auf allen Lagen, kleinere LP Dimensionen, einfache Herstellung Seite 39

40 Ausblick: Passive Entwärmung Messreihe 1 ohne WIRELAID ML4 Erwärmung Chip von Tu= 20 C bis Tmax= 55 C, bei nomineller Verlustleistung (16,5W/cm²) Bild nach 15s Betrieb Messreihe 2 mit WIRELAID ML4 Erwärmung Chip von Tu= 20 C bis Tmax= 38 C, bei nomineller Verlustleistung (16,5W/cm²) Bild nach 15s Betrieb Man beachte die, deutliche Wärmespreizung über die horizontalen Drähte und die geringere Tmax zum Messzeitpunkt Deutlich verbesserte, bzw. KEINE Hot Spot Situation Seite 40

41 Ausblick: Powerflex Eingebettete Drähte durch den Semiflex-Bereich Kombination Knick- und Biegebereich Leiten der Signale über Flexbereiche Leiten der Ströme über Knickbereiche Wir sind nun am Schluss des Webinars angelangt. Sie sehen, WIRELAID ist ein interessantes Werkzeug bei der Elektronikentwicklung und Layoutkonzeption. Ich hoffe Sie konnten neue Erkenntnisse gewinnen oder bereits vorhandene erweitern. Seite 41

42 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Seite 42