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1 Weitergabe und Veröffentlichung nur mit Zustimmung der Schweizer Electronic AG Seite 1

2 Leistungselektronik Lösungen für mehr Strom und effizientes Wärmemanagement Leistungselektronik Lösungen werden in den kommenden Jahren eine entscheidende Rolle bei der Realisierung und Beherrschung der Herausforderungen durch die Elektromobilität und Energieerzeugung und verteilung spielen. Kein Leiterplattenhersteller kann ein umfassenderes Lösungsspektrum als Schweizer bieten. So werden heute schon Schweizer Leiterplatten im Automobilbereich eingesetzt, die bis zu 1200 Ampere führen. Zahlreiche Lösungen der bestmöglichen Wärmeableitung bzw. passiven Kühlung bis hin zu Systemen mit aktiver Kühlung sind verfügbar. Schweizer Lösungsübersicht: Dickkupfer Board wenn sehr viel Strom über die gesamte Leiterplatte geführt werden muss Seite 3 Wirelaid die drahtgeschriebene Leiterplatte für kostenoptimierte Hochstromanwendungen Seite 4 Power Combi Board Hochstrom und Signalverarbeitung werden kostenoptimiert kombiniert Seite 5 IMS Board für maximale Entwärmung Seite 6 Inlay Board für maximalen Strom und Entwärmung Seite 7 Thermal Vias Hilfsmittel zur Wärmeableitung Seite 9 Water Board Leiterplatte mit integrierter Wasserkühlung Seite 9 p² Pack die Power Embedding Lösung Seite 10 Z.B. die Entwicklung von Wechselrichtern wird maßgeblich durch folgende Bedingungen getrieben: - Hoher Umwandlungswirkungsgrad über den gesamten Eingangsspannungsbereich - Wechselrichter mit höheren Leistungen - Wechselrichter mit geringeren Abmessungen - Höhere Taktfrequenz - Hohe Verfügbarkeit bzw. Langlebigkeit (MTTF - Mean Time To Failure) - Geringe Herstellkosten Ein geeignetes Kühlkonzept und die Optimierung der Stromtragfähigkeit haben einen großen Einfluss auf die genannten Größen. So kann z. B. ein länger anhaltender Einsatz bei Betriebstemperaturen > 50 C zur Leistungsabregelung des Wechselrichters führen. Des weiteren werden Bauteile und Lötstellen stärker belastet und können im vorgesehenen Langzeiteinsatz zu vorzeitigen Ausfällen führen. Da PV-Anlagen vorzugsweise in Ländern mit hohen Außentemperaturen eingesetzt werden, kommen weitere Temperatureinflüsse hinzu, welche die Geräte zusätzlich belasten. Der Ansatz einer aktiven Gerätekühlung ist auf den ersten Blick zwar wirkungsvoll, reduziert jedoch auf der anderen Seite durch den Eigenstrombedarf den Gesamtwirkungsgrad. Zudem bringen Zusatzaggregate weitere Störanfälligkeiten, die den MTTF senken und die Herstellkosten belasten. Es werden also Lösungen verfolgt, um mit einem passiven Kühlkonzept die bestmöglichen Bedingungen zu schaffen. Welchen Beitrag die Leiterplatte hierbei leisten kann, wird in der folgenden Abhandlung beschrieben. Wechselrichter sind üblicherweise mit unübersehbaren Kühlkörpern ausgerüstet. Die Frage stellt sich jedoch, wie die Wärme von den Bauteilen ausgehend, effektiv am Kühlkörper ankommt. Hier kann die Leiterplatte durch spezielle Konstruktionen helfen. Entscheidend für die Langlebigkeit der Wechselrichter ist auch die schnelle Spreizung der Wärme, besonders im Bereich der Kondensatoren, um Hotspots zu vermeiden. Weitergabe und Veröffentlichung nur mit Zustimmung der Schweizer Electronic AG Seite 2

3 Die Leiterplattenlösungen: - Dickkupfer Boards - Wirelaid - Combi Board - Inlay Board + Thermal Vias Dickkupfertechnik Diese Technik ist seit vielen Jahren im Markt etabliert und wir in großen Serien hergestellt. Unter Dickkupfer versteht man in der Leiterplattenbranche Stärken von > 70 bis 400 µm. Im Idealfall befinden sich die Dickkupferlagen im Inneren der Leiterplatte. Auf Außenlagen ist die Kupferdicke aus fertigungstechnischen Gründen begrenzt und liegt üblicherweise bei maximal 105 µm. Dickkupfer 105µ 210µ 400µ Innenlage X X X Aussenlage X (X) Mit dem Einsatz von bis zu 4 Innenlagen mit jeweils 400 µm Cu ist eine Stromtragfähigkeit von mehreren hundert Ampere möglich. Über zusätzliche Bohrungen sind vielfältige Entwärmungsmöglichkeiten vorhanden. Vorteile der Dickkupfer-Technik: Einsatz von Standard-Komponenten Gängige Technik mit hoher Marktdurchdringung Weitergabe und Veröffentlichung nur mit Zustimmung der Schweizer Electronic AG Seite 3

4 Wirelaid die preisgünstige Lösung für hohe Ströme und Logik auf einem Board Als eine Alternative zur Dickkupfertechnik bietet sich unter anderem die patentierte WirelaidTechnologie von Jumatech an, die Schweizer Electronic bereits seit mehreren 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. In Kooperation mit Option 1 Option 2 100µm 300µm 250µm x 800µm 350µm x 1400µm Weitergabe und Veröffentlichung nur mit Zustimmung der Schweizer Electronic AG Seite 4

5 Power Combi Board Der Grundgedanke des Combi Board ist, Dickkupfer nur in benötigten Bereichen einzusetzen, um das teure Grundmaterial so effektiv wie möglich nutzen zu können. So wird beim Combi Board eine Innenlage gefertigt, die sowohl Dickkupferbereiche für Hochstromanwendung als auch Standardkupferdicken zur Signalführung aufweist. Mit dem Combi Board sind Dickkupfer und Feinleitertechnik bis minimal 100 µm auf einer Leiterplatte möglich. Dadurch können Hochstromtauglichkeit und hohe Funktionsdichte miteinander verflochten werden. Die Innenlage enthält daher sowohl Dickkupferzonen für die Leistungsbereiche als auch eine Standardkupferschichtdicke, in der die Logikbereiche platziert werden. Dickkupfer und Feinleiter in 35µ 400µm + + = Herstellung Innenlage Innenlage freigefräst Herstellung Dickkupferlage Dickkupferteile eingelegt Vorteile des Combi Board: Kostenvorteile durch weniger Aufwand in Logistik und Fertigung Wegfall von Steckverbindern und Kabeln Kombination von unterschiedlichen Lagenaufbauten möglich hohe Zuverlässigkeit Reduzierung des Gewichts im Vergleich zu bisherigen Lösungen möglich Raumbedarf durch Kombination mit FR4-Flex-Technologie im Vergleich sehr gering Einsatztemperatur 40 ºC bis +140 ºC. Weitergabe und Veröffentlichung nur mit Zustimmung der Schweizer Electronic AG Seite 5

6 IMS Board IMS steht für»insulated Metal Substrate«. Zum Einsatz kommen also spezielle Materialien, die eine hohe thermische Leitfähigkeit bei gleichzeitig guter elektrischer Isolation bieten. Daher zeichnet sich diese Leiterplattentechnik vor allem durch ihr sehr gutes Wärmemanagement aus. Eine vollflächige, massive Metallrückseite gewährleistet die schnelle und effiziente Temperaturspreizung und verhindert somit Hotspots. IMS Boards verfügen in der Regel über Aluminium-Rückseiten allerdings nicht bei SCHWEIZER. Das Unternehmen verwendet eine Kupferträgerplatte, unter anderem; weil Kupfer als Leiterplattenmaterial bekannt und mit allen Leiterplattenprozessen verträglich ist. Somit lassen sich viele Erfahrungswerte, die man mit anderen Leiterplattentechniken gemacht hat, auch auf das IMS Board übertragen. Aluminium Copper Gewichtsvorteil Thermische Kapazität (für gleiches Volumen) 300% 250% 200% 150% 100% 50% 0% Thermische Leitfähigkeit Elektrische Leitfähigkeit (wenn Ankontaktierung notwendig) E Modul Ausdehnungskoeffizient (X/Y) a glance: Oberflächen: OSP/ chem. Sn/ chem. Ni-Au Mögliche Build Ups: single layer/ 3 layer/ 5 layer Isolations-Eigenschaften: Durchschlagfestigkeit: > 4 KV Thermische Leitfähigkeit: >= 2 W/mK Weitergabe und Veröffentlichung nur mit Zustimmung der Schweizer Electronic AG Seite 6

7 Inlay Board Zur Durchleitung hoher Ströme werden in der Leiterplatte große Kupferquerschnitte benötigt. Da die Schaltungsflächen durch Gerätedimensionen begrenzt sind, bleibt nur die Option, Leiterdicken zu erhöhen. Mit dem Einsatz von Kupfer-Inlays mit einer Dicke bis zu 2 mm, können auf der Leiterplatte Bereich geschaffen werden, die Stromspitzen von deutlich über A erlauben. Inlays werden auch zur reinen Bauteilentwärmung genutzt. Schweizer Inlay Board Standard Inlay Cu Inlay Angeschnittenes Inlay Querschliff durch Inlay Board Vorteile des Inlay-Board Verbesserte Wärme- / Strom-Leitfähigkeit: Durch einen optimierten Wärme-/ Strom-Pfad im Vergleich zur konventionellen Kupfer EinpressInlay Technik Trotz integriertem Kühlkörper ist mehrlagiger Aufbau möglich Verbesserte mechanische Festigkeit: Durch den Verlege und Verpress-Vorgang wird das Kupfer Inlay in die Harzmatrix eingebettet Weitergabe und Veröffentlichung nur mit Zustimmung der Schweizer Electronic AG Seite 7

8 Risse, die bei der konventionellen Technik (Einpressen der Inlays) entstehen können, werden verhindert Kann mit Standardfertigungsprozessen der Leiterplatte realisiert werden Die größere Kühlfläche erleichtert die Wärmeabfuhr und erhöht damit auch die Lebensdauer der Einheit. Geringere Life Cycle Costs sind erzielbar Ist für viele Hochstromanwendungen geeignet Kurzzeitige Stromspitzen von > 1000 A sind möglich Zusammenfassung: Qualitative Übersicht an Lösungen für die Leistungselektronik Daumenwerte für Powerlagen mit vielen Netzen und für Ströme bis ca. 200 A Thick Copper Kombination von Logik & Leistung für Ströme bis ca. 100 A und wenig Netze Kombination von Logik & Leistung für Ströme bis ca. 200 A und viele Netze Optimierte Lösung für maximale Entwärmung für maximale Entwärmung und Stromtragfähigkeit 1000 A Wirelaid Combi Board IMS Board Inlay Board Logik & Power (auf einer Ebene) Stromtragfähigkeit Kosten Entwärmungseigenschaften Miniaturisierung D Fähigkeit beste Lösung nicht möglich Weitergabe und Veröffentlichung nur mit Zustimmung der Schweizer Electronic AG Seite 8

9 Thermal Vias Thermal Vias dienen als Hilfsmittel zur Wärmeableitung und kommen in der Praxis häufig zum Einsatz. LP mit Thermal Vias Querschiff durch gepluggte, überplattierte Vias Anhand von speziellen Berechnungs-Tools kann die Anzahl der benötigten Vias exakt ermittelt werden. Thermal Vias können auch mit einem Dielektrikum verschlossen und überplattiert werden. Vorteile von Thermal Vias: Standard Leiterplattenprozess Hohe Anpassungsfähigkeit über Anzahl von Bohrungen Water Board Sollten all die gezeigten Lösungen für Hochstrom und passive Kühlung nicht ausreichen, haben Sie mir dem Water Board die Möglichkeit der aktiven Kühlung. Hier haben wir Erfahrung Verschiedenen Strömungskanäle und natürlich das Water Board auch Kombinierbar mit den übrigen Lösungsansätzen für Leistungselektronik und Embedding Weitergabe und Veröffentlichung nur mit Zustimmung der Schweizer Electronic AG Seite 9

10 Technologie Ausblick Power Embedding mit dem p² Pack Fazit: Bei der gesamtwirtschaftlichen Betrachtung eines Gerätes sind Wirkungsgrad, Herstellkosten und lange Gewährleistung im Focus. Intelligente Leiterplattenkonzepte können einen aktiven Beitrag zur Qualitäts- und Leistungssteigerung nicht nur von PV-Wechselrichtern leisten. Wichtig ist, bereits in der Produktentwicklungsphase die Möglichkeiten von Leiterplattendesigns zu kennen und die gesamtwirtschaftlich beste Lösung aufzugreifen. Weitergabe und Veröffentlichung nur mit Zustimmung der Schweizer Electronic AG Seite 10

11 Weitergabe und Veröffentlichung nur mit Zustimmung der Schweizer Electronic AG Seite 11 Stand Mai 2012

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