Hochstrom und Wärmemanagement auf der Leiterplatte Anwendungsbeispiele aus der Praxis

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1 Hochstrom und Wärmemanagement auf der Leiterplatte Anwendungsbeispiele aus der Praxis FED Regionalgruppe Österreich zu Gast bei AT&S Leoben / Hinterberg, 14. April 2011 Harald Steininger Häusermann GmbH I A-3571 Gars am Kamp I Zitternberg 100 I Tel.: +43 (2985) I Fax: +43 (2985) I info@haeusermann.at

2 INHALT Einleitung - Hochstrom/Wärmemanagement Systemlösungen mit Hochstrom Systemlösungen mit Wärmemanagement Design Rules Zusammenfassung 2

3 Moderne Komponenten/Bauteile und innovative Leiterplattentechnologien Einleitung Hochstrom/Wärmemanagement 3

4 Moderne Komponenten/Bauteile und innovative Leiterplattentechnologien Moderne Leistungselektronik benutzt MODERNE KOMPONENTEN High Brightness LEDs MOSFETs IGBTs und verlangt nach INNOVATIVEN Leiterplattentechnologien 8mm 12mm 4

5 Moderne Komponenten/Bauteile und innovative Leiterplattentechnologien Diese modernen Bauteile und innovative Leiterplattentechnologien wie HSMtec sind die Antwort auf die hohen Ansprüche zukunftsweisender Branchen und als solche vom Prototypen bis zur Großserie erhältlich. Lichttechnik Umweltfreundliche Elektromobilität (LED) Energiegewinnung (Zweirad, KFZ, Nutz- u. Sonderfahrzeuge) 5

6 Herausforderungen für Konstruktion/Design Die Herausforderungen Hochstrom Reduzierung der Verlustleistung Leitungsquerschnitt erhöhen und Spannungsabstände einhalten Dickkupfer und Steuerelektronik Wärmemanagement Wärmeableitung Wärmetransport R th (thermischer Widerstand) 6

7 Grundlagen Wärmemanagement Es gibt drei Mechanismen zum Transport von thermischer Energie von einem Ort zu einem anderen 7

8 Wärmemanagement/Wärmeleitung Fouriersches Gesetz Q [Joule/s = Watt] Wärmestrom, Leistung ΔT [K oder C] Temperaturunterschied λ [W/(m*K)] Wärmeleitfähigkeit Flussvariable Wertigkeit Richtung Wärmeenergiestrom [Joule/s] Temperatur [Kelvin, C] Von hoher Temperatur zu niedriger Temperatur Stromfluss [Ampere] Spannung [Volt] Von hoher zu niedriger Spannung Luftstrom [m³/s] Luftdruck [Pascal] Von hohem Druck zu niedrigem Druck 8

9 Basis - Eigenschaften Kupfer / FR4 bietet eine optimale Basis für HB-LEDs Material Wärmeleitfähigkeit λ [W/mK] Kupfer 300 Aluminium 150 Lötzinn 51 Keramik 24 FR4 0,25 Luft (unbewegt) 0,026 Kupfer leitet Wärme ca besser als FR4 und ca fach besser als Luft (stehend). Material Materialausdehnung Ausdehnungskoeff. längs [ppm / K] Aluminium 23 Lötzinn 22 Kupfer 16 FR Keramik LED 4 8 Kupfer / FR4 basierte Platinen zeigen bspw. beim Einsatz von Keramik LEDs eine höhere Temperatur-Zyklen-Festigkeit. 9

10 Wärmemanagement/Wärmeleitung Wärmebildkamera Stromgenerator 10

11 Hochstromlösungen Systemlösungen mit Hochstrom 11

12 Hochstromlösungen Wechselrichter für Photovoltaik Ansteuerung Rotorblätter (Windräder, Turbinen) 12

13 Hochstromlösungen Zweirad, KFZ, Nutzfahrzeuge, Sonderfahrzeuge, etc. Antriebe Energiespeicherung Energieverteilung Hybridantrieb, Elektroantrieb Cell Connector Board Steuerung... Steuerung der Verbraucher 13

14 Hochstromlösung Cell Connector Board Anzahl Lagen: 4 Cell Connector Board Dicke: 1,8 mm Basismaterial: FR 4 Oberfläche: Technologie: Stromstärke: chem. NI/AU 4mm breite Kupferprofile unter den Außenlagen für die Verbindung der einzelnen Zellen 100 Ampere inkl. Steuerelektronik 14

15 Hochstromlösung Brennstoffzellen DC-DC Konverter für BRENNSTOFFZELLEN Anzahl Lagen: 2 Dicke: 1,6 mm Basismaterial: FR 4 Oberfläche: Technologie: Stromstärke: ΔT Leiterbahnen: chem. Zinn 4mm breite Kupferprofile unter einer Außenlage 70Ampere 20K 15

16 Hochstromlösung Windkrafträder 1/2 Kundenanwendung Steuerung der Stellung der Rotorblätter bei Windkrafträdern Bauteile Spezifikation Anwendung Hochstromstecker, IGBT HSMtec PCB / Thermographie Gesamtverlustleistung aller Hochstromleitungen 20Watt - 40K ΔT mit Kupferprofilen 50Watt - 110K ΔT ohne Kupferprofile Stromstärke 75A Dauerstrom auf mehreren beidseitig verlaufenden Leiterbahnen (auf Innenlagen) Max. zulässige Erwärmung ΔT = 40K 16

17 Hochstromlösung Windkrafträder 2/2 Leiterplatte FR4, 330x268mm, 6-Lagen, 2.2mm, chem. NI/AU HSMtec - PCB Kupferprofile 2970mm (4mm, 8mm und 12mm breit) auf IL 17

18 Anwendungsbeispiel Rotorblattsteuerung für Windkrafträder Spezifikation Anwendung Kundenanwendung Steuerung der Rotorblattstellung bei Windkrafträdern Bauteile Hochstromstecker, IGBT Stromstärke 35 A Dauerstrom / 70 A für 10 Sek. auf mehreren beidseitig verlaufenden Leiterbahnen Max. zulässige Erwärmung ΔT = 30 K Leiterplatte FR4, 268 x 195 mm, 4-Lagen, 2.0 mm, chem. Ni/Au Kupferprofile 1180 mm (2 mm und 4 mm breit) unter der Lötseite und Bauteilseite Gesamtverlustleistung aller Hochstromleitungen (Profile) 5 Watt / ΔT = 30 K Lagenaufbau & Thermografie HSMtec - PCB 40 % Platzeinsparung dank HSMtec 18

19 Hochstromlösung Steuerelektronik Bisherige Lösung Stromschienen tragen 50 Ampere. Neue Lösung mit HSMtec Integrierte 4mm Kupferprofile verteilen den Strom 19

20 Hochstromlösung - Steuereinheit/Helikopter Spezifikation Anwendung Kundenanwendung Steuereinheit für Helikopter Leiterplatte HSMtec PCB / Thermographie FR4, 187,4x187,0mm, 8-Lagen, 2.6mm, chem. NI/AU Bauteile MOSFETs Stromstärke 50A Dauerstrom auf mehreren beidseitig verlaufenden Leiterbahnen Max. zulässige Erwärmung ΔT = 20K 20

21 Wärmemanagement Systemlösungen mit Wärmemanagement 21

22 Anwendungsbeispiel LED Straßenleuchte S.1/2 Spezifikation Anwendung LED Außenleuchte mit homogener Ausleuchtung und geringem Energieverbrauch 32 LEDs in Serie geschaltet 40 W Gesamtleistung 100 Lumen Lichtausbeute pro LED Betriebsstunden (bei 70 % des Anfangs- Lichtstromes) Vorteile HSMtec-Lösung 25 % Energieeinsparung (im Vergleich zu herkömmlicher Kompaktleuchtstofflampe) 10 % höhere Lebensdauer der LEDs (durch Senkung der Betriebs- Sperrschichttemperatur um 5 C) Hohe photometrische Flexibilität Verringerter Montageaufwand und vereinfachtes Handling 4-Lagen ML, 1.2 mm Dicke Kupferprofile auf Innenlage 25 Watt Wärmeverlustleistung werden über die Leiterplatte abgeführt 22

23 Anwendungsbeispiel LED Straßenleuchte S.2/2 Lösung basierend auf HSMtec Weiße Oberfläche für optimierte Lichtausbeute Mechanisch stabile LED-Segmente ersetzen zusätzlichen Montage- und Verkabelungsaufwand Individuelle Anpassung des Neigungswinkels Integrierte Kupferprofile ermöglichen gezielten Wärmeabtransport sowie elektrische Ansteuerung über Biegekante Microvias / Sacklöcher dienen thermischer Ankontaktierung der LED s und Vias unterstützen den Wärmeabtransport Kerbfräsungen erlauben Biegeradien bis zu 90 23

24 Thermische Performance HSMtec Vergleich mit Standard-Leiterplatten-Technologie Thermischer Vergleich Standard - Leiterplattentechnologie Leiterplatte mit HSMtec Kühlkörper/Gehäuse Kühlkörper/Gehäuse -16 K/W ΔT: 44,6 C ΔT: 22,1 C Verlustleistung der LED: 1,4 Watt; Umgebungstemperatur: 25 C Reduktion des thermischen Widerstandes durch massive Kupferquerschnitte Optimale Wärmeableitung aufgrund durchgängiger metallischer Pfade zum Kühlkörper 24

25 Wärmemanagement Lösung für die Wärmeableitung bei MOSFETs DC-DC Konverter für BRENNSTOFFZELLEN Anzahl Lagen: 4 Dicke: 1,7 mm Basismaterial: FR 4 Oberfläche: Technologie: bleifrei HAL 4mm breite Kupferprofile direkt unter SMD-Leistungsbauteile zur raschen Wärmeableitung durch die Leiterplatten zum rückseitigen Kühlkörper Leistungssteigerung der MOSFETs durch gute und rasche Wärmeableitung durch die Leiterplatte zum Kühlkörper (Gehäuse). 25

26 Anwendungsbeispiel Kabinenbeleuchtung für Luftfahrt Spezifikation Anwendung Kostenvergleich IMS-Lösung Kundenanwendung Kabinenbeleuchtung für Luftfahrt mit unterschiedlichen Lichtfarben 32 High Brightness LEDs Ansteuerung als Lichtband Optimierte Entwärmung der LEDs über integriertes Kupferprofil und Thermovias zum Kühlkörper (Gehäuse) auf die Rückseite , IMS 0.21 HSMtec - 9% 4 Lagen Standard-FR4, 35 µm Cu-Dicke für Steuerelektronik Flächenanteil HSMtec auf Leiterplatte ~2 % 3.82 HSMtec Zusätzliche Fertigung AL Platte PCB-Signal PCB HC IMS: Insulated Metal Substrate IMS-Lösung LEDs auf 2 mm Alu Platte, einseitig kupferkaschiertes Material 35 µm mit 70 µm Prepreg als Dielektrikum Gesonderte Steuerelektronik, 4 Lagen FR4, 35 µm, 2-seitig direkt verlötet Flex-Kabel Oder Verbindung 26

27 Hochstrom und Wärmemanagement mit HSMtec Design-Rules 27

28 Design Rules / Integration von Profilen in Innen- und Außenlagen A längs FR4 Core L1 L1 längs A B B 4,0 x 0,5 FR4 Core L4 C FR4 Core 4,0 x 0,5 L2 C L1 D D FR4 Core 4,0 x 0,5 L4 L3 Profile 12mm x 0,5mm, 8mm x 0,5mm, 4mm x 0,5mm, 2mm x 0,5mm 28

29 Design Rules / Integration von Drähten und Profilen in Innen- und Außenlagen A quer quer 4,0 x 0,5 FR4 Core längs längs 0,5 L2 L3 A L1 L4 B L1 L4 L2 L3 B FR4 Core C 2,0 x 0,5 D FR4 Core FR4 Core L2 L3 C L1 L4 L2 L3 D L1 L4 Draht Durchmesser 0,5mm, 29

30 Design Rules / Alle Maße auf einen Blick 1. Profilbreite 2,00 mm 2. Profilbreite 4,00 mm, 8,00 mm, 12,00 mm 3. Abstand zwischen den Profilen 2,20 mm 4. Minimale Profillänge 15,00 mm 5. Umlaufend geätzte Leiterzüge größer als die Profile, bei Außenlagen: 0,50 mm bei Innenlagen: 1,00 mm 6. Abstand von Drahtmitte zu Drahtmitte bei parallel nicht abgewinkelten Drahtzügen 1,50 mm 7. Abstand von Drahtmitte zu Drahtmitte bei abgewinkelten Drahtzügen 2,00 mm 8. Abstand zwischen Draht und Profil der Länge nach 2,00 mm 9. Abstand zwischen Draht und Profil 1,50 mm 10. Umlaufend geätzte Leiterzüge größer als die Drähte, bei Außenlagen: 0,25 mm bei Innenlagen: 0,50 mm 11. Minimale Drahtlänge 10,00 mm 30

31 Spreizlagen bringen eine deutliche Erhöhung der Stromtragfähigkeit. Thermischer Vergleich 35um Kupferhöhe T = 20 9,0 Ampere 12,5 Ampere Bei gleichem Querschnitt des stromführenden Leiters kann die Stromtragfähigkeit durch Wärmespreizlagen bei gleichbleibender Temperaturdifferenz deutlich erhöht werden. Thermographiebild 3095, Umgebungstemperatur 25 C 17,0 Ampere 31

32 Spreizlagen ermöglichen eine deutliche Senkung der max. Temperaturbelastung. Thermischer Vergleich Thermographiebild max.61,7 C 125 Ampere max. 120,0 C max. 61,7 C Bei gleichem Querschnitt des stromführenden Leiters und einer gleichen Strombelastung von 125A kann durch 2 innenliegende Spreizlagen die Temperaturdifferenz von T = 95 C auf nur T = 36 C gesenkt werden. 32

33 HSMtec Leitungsgeometrien für 50 Ampere Vergleich des Platzbedarfes 70um Kupferhöhe T = mm Querschnitt = 3,15 mm2 50 Ampere 20 mm Querschnitt = 1,4 mm2 5,0 mm Querschnitt = 2,35 mm2 HSMtec ermöglicht eine Platzeinsparung bei 50 Ampere um Faktor 9 gegenüber einem 70um dicken Leiterzug. 33

34 HSMtec Leitungsgeometrien für 100 Ampere Vergleich des Platzbedarfes 70um Kupferhöhe T = mm 100 Ampere Querschnitt = 7,7 mm2 50 mm Querschnitt = 3,5 mm2 20 mm Querschnitt = 5,4 mm2 HSMtec ermöglicht eine Platzeinsparung bei 50 Ampere um Faktor 5,5 gegenüber einem 70um dicken Leiterzug. 34

35 Design Rules / Stromtragfähigkeit mit HSMtec Stromtragfähigkeit abhängig vom Leitungsquerschnitt * Die Tabelle erlaubt eine grobe Abschätzung der zu erwartenden Stromtragfähigkeit. Die tatsächliche Stromtragfähigkeit wird zusätzlich durch das Layout, die Materialien und weitere Faktoren bestimmt. 35

36 Minimaler Platzbedarf Realisierung von hohen Strömen bei bestmöglicher Platzeffizienz Platzersparnis Effiziente und ökonomische Nutzung des verfügbaren Platzes Einfache Einhaltung der notwendigen Spannungsabstände Leistungs- & Steuerelektronik auf derselben Leiterplatte Profile von 2 mm bis 12 mm Breite (Dicke 0,5 mm) Drähte mit Durchmesser 0,5 mm Platzeinsparung: Faktor 4 * Stromstärke: 50 A; Umgebungstemperatur 25 C; ΔT ca. 40 K Profile 0 mm 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 22,0 24,0 26,0 28,0 4,0 x 0.5 mm Cu 105 µm Cu 70 µm 36

37 Hochstrom und Wärmemanagement mit HSMtec Zusammenfassung 37

38 Zusammenfassung HSMtec die Leiterplatte als intelligente Systemlösung für Ihre Leistungselektronik Technik & Vorteile Reduktion der Gesamt-Systemkosten Optimierte Bauteil-Lebensdauer und Wirkungsgrad Hohe Designfreiheit und einfaches Layout Standardisierte Herstellung und Weiterverarbeitung Steuer & Leistungselektronik auf einem Board Gesteigerte Anwendungszuverlässigkeit durch Ersatz von Steckern/Kabeln Effiziente Raum / Platznutzung Qualifizierte Technologie (DIN EN , JEDEC A 101-A) Auditiert für Automotive und Luftfahrt 38

39 Zusammenfassung HSMtec die intelligente Systemlösung für mehrdimensionale Anwendungen Vorteile Innovative Mehrdimensionale Anwendungen Elektrische Verbindung zwischen Schaltungseinheiten Thermische Verbindung über Biegekanten Sollbiegestellen durch Tiefenfräsung Hochstromleiterbahnen über Biegekanten Kostenoptimierte Alternative zu Starrflex- Lösungen 39

40 Zusammenfassung HSMtec - Die intelligente Lösung für innovative LED-Leuchten LED Technik Vorteile Hervorragende Lichtausbeute durch mehrdimensionale Ausrichtung der LEDs Lebensdauererhöhung durch optimiertes thermisches Mgmt. (reduzierte Betriebstemperatur) Hohe Bauteileffizienz dadurch geringe Strom- und Wartungskosten Entwärmung und Ansteuerung für intelligente Lichtsteuerungen auf einem Board (Steuerungselektronik voll integrierbar) 40

41 Zusammenfassung HSMtec - Die intelligente Lösung für innovative LED-Leuchten All-in-One Leiterplatte mit folgenden zusätzlichen Funktionen: Individuelle Ausrichtung der einzelnen LED-Leiterplattensegmente Selbstständiges Tragen der Bauteile (LEDs) in dieser Position Elektrische Ansteuerung der LEDs über die Biegestellen Optimale Wärmeableitung von den LEDs über die Biegestellen zur Wärmesenke 41

42 Hochstrom und Wärmemanagement mit HSMtec ist mehr als nur eine Leiterplatte. ist die intelligente Systemlösung für Leistungselektronik. 42

43 Complete your visions with HSMtec Funktionalität trifft auf Wirtschaftlichkeit HSMtec Die innovative Leiterplatten-Technologie von Häusermann Optimiertes Hochstrom- und Wärmemanagement auf Standard-FR4- Leiterplatten bei minimalem Platzbedarf Realisierung von selbsttragenden mehrdimensionalen Leiterplattenstrukturen Kombination von Leistungs- und Steuerelektronik auf nur einer Leiterplatte => Platz verwenden statt verschwenden Vielseitig einsetzbar zur Verwirklichung Ihrer Visionen 43

44 Danke Harald Steininger A-3571 Gars am Kamp, Zitternberg 100 Phone Web HÄUSERMANN GmbH A-3571 Gars am Kamp, Zitternberg 100 Phone Fax Web Copyright 2011, Häusermann GmbH, Zitternberg 100, A-3571 Gars am Kamp Vervielfältigung und Weitergabe an Dritte nur mit ausdrücklicher Genehmigung der Häusermann GmbH 44