Stand der Technik von PCB Technologien für Hochstromanwendungen

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1 Stand der Technik von PCB Technologien für Hochstromanwendungen Slide 1

2 Inhalt 1. Einleitung 2. Technologie - Übersicht 3. Vorstellung der Technologien 4. Technologie Auswahl 5. Ausblick Multifunktionale Leiterplatten Slide 2

3 1. Einleitung (1) Hochstrom und Anwendungen Warum Hochstrom und Niederspannung? Systemsicherheit (Berührungsschutz) Isolationsaufwand ist reduziert Automotive: Bewährte Bordnetzstrukturen (PKW 12V, 48V) nutzen Kosten senken E-Mobility: Anzahl Batteriezellen müssen in bestimmten Anwendungen gering bleiben (-> niedrige Spannung) Typische Anwendungen (Automotive / E-Mobility) Slide 3

4 1. Einleitung (2) Anforderungen und Aufgabenstellung Forderung nach Systemintegration von Leistungs- und Steuerelektronik zur Senkung der Systempreise Reduktion des Bauraums Beherrschung der Temperatur und Wärmemanagement Produktstabilität und Zuverlässigkeit Gründe dafür sind Bauelementen mit hoher Stromtragfähigkeit (Grenze wird durch Umgebung bestimmt) hohe Integrationsdichte der Steuerelektronik mit Kleinkomponenten leistungsfähiger werdende Bauteile (Verlustwärme) Bei der Systemintegration werden hohe Anforderungen gestellt an Design, Prozesse und Materialien! Slide 4

5 1. Einleitung (3) Hochstrom auf Leiterplatten - Probleme Lösung: Selektiv-Dickkupfer-Technologien Slide 5

6 2. Übersicht der Technologien (1) Willkommen im Technologie - Dschungel Dickkupfer HSM-Tech Wirelaid Kupfer-Inlay Eisberg-Technologie Water-Board IMS-Board Combi-Board Multifunktionale LP Welche Technologie benötigt man für welche Anwendung? Slide 6

7 3. Vorstellung der Technologien (1) Dickkupfer Technologiebeschreibung: Verschiedene Kupferstärken bis zu 800µm auf den einzelnen Lagen kombinierbar Typ. Stromtragfähigkeit: bis 300A Entwärmung: Entwärmung über Thermovias durch die Leiterplatte [http://www.multi-circuitboards.eu/produkte/leiterplatten/sonderfertigun g/dickkupfer-leiterplatten.html] Logik und Power auf einer Ebene: - Platzbedarf (Beispielrechnung): Dicke ΔT Strom Breite Breite 70µm Cu Referenz Platzersparnis 105 µm 45 K 100 A 28 mm 37 mm 24 % Slide 7

8 3. Vorstellung der Technologien (2) HSM Tech / Wirelaid Technologiebeschreibung: Zusätzliche Kupferprofile werden durch Widerstandsschweißen auf die Standardkupferlagen aufgebracht Typ. Stromtragfähigkeit: bis 300A Entwärmung: Entwärmung über Thermovias durch die Leiterplatte Logik und Power auf einer Ebene: +++ Platzbedarf (Beispielrechnung): [Häusermann HSMtec Webinar Hochstrommanagement für Leiterplatten] Dicke ΔT Strom Breite Breite 70µm Cu Referenz Platzersparnis 500 µm 45 K 100 A 14 mm 37 mm 62 % Slide 8

9 3. Vorstellung der Technologien (3) Kupfer Inlay Technologie Technologiebeschreibung: Zusätzliche Kupferprofile direkt in die Platine eingebttet Typ. Stromtragfähigkeit: bis 1000A Entwärmung: Entwärmung über Kupferinlays durch die Leiterplatte Logik und Power auf einer Ebene: ++ [Dr. Lehnberger Andus Electronic] Platzbedarf (Beispielrechnung): Dicke ΔT Strom Breite Breite 70µm Cu Referenz Platzersparnis 2 mm 45 K 100 A 6 mm 37 mm 84 % Slide 9

10 3. Vorstellung der Technologien (4) Eisberg - Technologie Technologiebeschreibung: Aus einer 400µmdicken Kupfersicht werden die Bereiche für die feinen Signalleitungen ausgeätzt Typ. Stromtragfähigkeit: bis 300A Entwärmung: Entwärmung über Kupferinlays durch die Leiterplatte Logik und Power auf einer Ebene: +++ Platzbedarf (Beispielrechnung): [http://www.andus.de/_ pdf/leiterplattenkuehlung-2012.pdf] [www.allelectronics.de/media/file/64 30] Dicke ΔT Strom Breite Breite 70µm Cu Referenz Platzersparnis 400 µm 45 K 100 A 16 mm 37 mm 57 % Slide 10

11 3. Vorstellung der Technologien (5) Water Board Technologie Technologiebeschreibung: Kühlkanäle für Wasserkühlung werden in Platine eingebracht. Kombination mit Kupfer-Inlays. Kühlkanäle Typ. Stromtragfähigkeit: bis 1000A Entwärmung: Direkte Entwärmung durch die Leiterplatte Logik und Power auf einer Ebene: ++ Platzbedarf: [Foto: PCIM Schweizer Electronic] Wie bei Kupfer-Inlay Technologie und der Platzaufwand für eine externe Kühlplatte mit Wasserkühlung entfällt! Slide 11

12 3. Vorstellung der Technologien (6) IMS Board Technologie Technologiebeschreibung: Metallkern Leiterplatte: Leiterbahnen werden über Spezialisolation auf eine Aluminium- / Kupferträger aufgebracht Typ. Stromtragfähigkeit: bis 100A Entwärmung: Leiterplatte kann / muss direkt ans Kühlsystem angeschlossen werden. Logik und Power auf einer Ebene: - Platzbedarf (Beispielrechnung): [Quelle: Dr. Lehnberger Andus Electronic] Dicke ΔT Strom Breite Breite 70µm Cu Referenz [http://www.schweizer.ag/de/produkteundloesu ngen/leistungselektronik/ims_board.html] Aber: Verlustleistung so groß wie bei Standard LP! Platzersparnis 70 µm 45 K 100 A 17 mm 37 mm 54 % Slide 12

13 3. Vorstellung der Technologien (7) Combi Board Technologie Technologiebeschreibung: Kombination von verschiedenen LP Dickkupfer - LP wird in ausgefräste Standard LP eingebracht. Typ. Stromtragfähigkeit: bis 500A Entwärmung: Entwärmung über Thermo-Vias durch die Leiterplatte Logik und Power auf einer Ebene: +++ Platzbedarf (Beispielrechnung): [Foto: PCIM Schweizer Electronic] [http://www.schweizer.ag/de/produkteundloesungen/leistun gselektronik/power-combi-board.html] Dicke ΔT Strom Breite Breite 70µm Cu Referenz Platzersparnis 500 µm 45 K 100 A 14 mm 37 mm 62 % Slide 13

14 4. Technologie Auswahl (1) Welche Technologie für welche Anwendung? [Quelle: Dr. Lehnberger Andus Electronic] Slide 14

15 4. Technologie Auswahl (2) Kosten? Kosten Inlay Board, Water Board IMS Eisberg Wirelaid Combi Board Dickkupfer Strom [A] Slide 15

16 5. Ausblick (1) Multifunktionale Leiterplatten J. W. Kolar: Envision on Future Power Electronics ETH Zürich 2013, Slide 16

17 5. Ausblick (2) Multifunktionale Leiterplatten Eingebettete Halbleiter-Chips J. W. Kolar: Envision on Future Power Electronics ETH Zürich 2013, Slide 17

18 5. Ausblick (3) Multifunktionale Leiterplatten Weitere Entwicklungen Hochstrom und Steuerelektronik um die Ecke Verbindungen auf Leiterplatte durch Ultraschallschweißen Integrierte Spule / Trafo Integrierte NTC s Integrierte Shunts [Quelle: Hr. Mang Pro Nova Leistungselektronik] Slide 18

19 Vielen Dank für die Unterstützung! Dr. Christoph Lehnberger (Andus Electronic) Thomas Mang (Pro Nova Leistungselektronik) Slide 19

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