WARMES GmbH PRÄSENTATION: HOCHSTROMLEITERPLATTE

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1 WARMES GmbH PRÄSENTATION: HOCHSTROMLEITERPLATTE Stand:

2 Korsten & Goossens GmbH und Herr Thomas Mang hat für Sie die Hochstromleiterplatte zur optimalen Kombination von Leistungselektronik mit digitaler Elektronik entwickelt und patentiert. WARMES GmbH ist der einziger Partner die diese Hochstromleiterplatten in China vernünftig produzieren kann. In der Leistungselektronik müssen immer höhere Ströme auf möglichst kleinem Raum übertragen werden. Für Automotive Anwendungen wie Kfz und Schienenfahrzeuge, Solar-, Batterie- oder Antriebstechnik sind neue Lösungen gefragt, die auf Kabel- oder Stromschienen, aus Platz- oder auch aus Kostengründen, verzichten müssen. Eine daraus resultierende Aufgabenstellung ist die effiziente Wärmeabführung. Die Hochstromleiterplatte von WARMES ist die Lösung für Sie.

3 ANWENDUNGSFELDER INDUSTRIEELEKTRONIK ANTRIEBSTECHNIK ENERGIEGEWINNUNG AUTOMOTIVE BAUMASCHINEN ELEKTROFAHRZEUGE BAHNTECHNIK MILITÄR, LUFTFAHRT, MARINE

4 Technische Aspekte 1. Transportieren von hohen Strömen auf der Leiterplatte bis A 2. Erschließung neuer technischer Möglichkeiten - Mechatronik (Kombination von mechanischer Kontaktierung und Steuer Elektronik (SMT Technik)) 3. Großes Maß an Flexibilität (Ausführung der Leiterplatte)

5 Technische Aspekte 4. Anzahl der Schnittstellen verringert sich auf der Leiterplatte Durchkontaktierungen 5. Anschlußtechniken 6. Funktionalität 1. Technologievarianten und Wärme 2. Streufelder 3. Mechanische Eigenschaften 4. Durchkontaktierungen 5. Ätzfaktoren 7. Fertigungsparameter 8. Lötparameter bleifrei Löten

6 1. Transportieren von hohen Strömen Aufgabenstellungen: Wärme Bemessung des maximal zulässigen Belastungsstroms und Kurzschlussfestigkeit mit einem definierten delta T [ K] und delta t [s] Thermischer Widerstand Wärmemenge und Wärmeleistung Wärmeleitung und Wärmeübergänge (Lagenaufbau, Anschlüsse ) Strahlung und Konvektion (freie und erzwungene) Kräfte Mechanische Beanspruchung der Leiterplatte durch Erwärmung Statisches System / Anschlüsse (Auflager, Einspannung, Verschraubungen ) Magnetische Felder Schwingungen / Vibrationen / Stöße durch hohe Kurzschluss-Ströme, Impulse und Frequenzen

7 Realisierung von hohen Leiterquerschnitten in einer massiven Bahn FLOTHERM-Modell: 1 Leiterbahn 10 mm Breit mittig in einem 110 mm x 110 mm Testboard (FR4) Dicke des Boards: Cu-Kerndicke (2 mm) + FR-4 (400 mµ oben und unten), Horizontale Lage Mit einem definierten T = 20 K ergibt sich eine Stromtragfähigkeit I n+/-5% = 100A.

8 Stromstärke I (A) HOCHSTROMLEITERPLATTE Weitere FLOTHERM-Modelle: 1 Leiterbahn mittig in einem 110 mm x 110 mm Testboard (FR4) Dicke des Boards: Cu-Kerndicke + FR-4 (400 mµ oben und unten), Horizontale Lage, T = 20 K, freie Konvektion, freie Abstrahlung Leiterbreite b (mm) Stomstärke I d=1mm (A) + / - 5% Stomstärke I d=2mm (A) + / - 5% d = 1mm d = 2mm Leiterbreite b (mm)

9 Wärmemessung Phoenix Contact: 2mm und 6mm Leiterbahnbreite, bleifrei verlötet

10 Bleifrei 2mm, Draufsicht Bleifrei 6mm, Draufsicht Bleifrei 2mm, Unteransicht T 0 = 22 C Bleifrei 6mm, Unteransicht

11 Stromstärke (A) HOCHSTROMLEITERPLATTE Messpunkt Lötstiftspitze 2 mm 3 mm Prüfaufbau gemäß DIN IEC mm Begrenzung des Delta T = 45 K nach EN bei Belastung mit Bemessungsstrom und Bemessungsquerschnitt. 5 mm 6 mm 7 mm Umgebungstemperatur ( C) Ab Leiterbahnbreite 5 mm ( 10 mm² Leitungsquerschnitt ) o.k. Delta T =45 K

12 2. Erschließung neuer technischer Möglichkeiten Platzsparend durch Integration von Leistung Aufgabenstellung: Realisierung eines 8mm² - Querschnittes über verschiedene Technologien mit 400µ Dickkupfertechnik > 20mm Leiterbahnbreite = Leiterplatte min. 130mm breit mit 2,0mm Dickkupfertechnik > 4mm Leiterbahnbreite = Leiterplatte max. 26mm breit 20mm 400µm CU max. 26mm Leiterplatte min. 130mm 2,0mm CU - Dicke

13 Packungsdichte im Vergleich zur konventionellen Technologie Aufgabenstellung: Realisierung eines 8mm² - Querschnittes über verschiedene Technologien Einseitige Leiterplatte 400µm CU Leiterplatte min. 130mm Zweiseitige Leiterplatte je 200µm CU mit 2,0mm Dickkupfertechnik > 4mm Leiterbahnbreite = Leiterplatte max. 26mm breit Leiterplatte min. 130mm 2,0mm CU - Dicke 4 - Lagen Multilayer je 100µm CU Leiterplatte min. 130mm

14 Plane Oberfläche Mit konventioneller Technologie: Durch die mächtigen, außenliegenden Hochstromlagen muss der Lötstopplack mehfach nachgedruckt werden. Mit Hochstromleiterplatte von: Durch die Plane Oberfläche mit innenliegender Hochstromlage kann der Lötstopplack problemlos und sauber aufgetragen werden. Einseitige Leiterplatte 400µm CU 400µm CU

15 3. Großes Maß an Flexibilität a) 1 1- Lagen Signallage + Hochstromlage Hochstromlage innen Leiterdicke 0,6 2mm b) Lagen Signallage + Hochstromlage Hochstromlage innen Leiterdicke 0,6 2mm c) 1.500µ 70µ 35µ Lagen Signallage + Hochstromlage Hochstromlage innen Leiterdicke 0,6 2mm

16 d) 1.000µ 35µ Lagen Signallage + 2 Hochstromlagen Hochstromlagen innen Leiterdicke 0,5 1mm 70µ 1.000µ Weitere, auch asymetrische Lagenaufbauten, sowie Aufbauten mit Hoch-Tg Materialien sind nach Rücksprache möglich Lieferung auch RoHS - Konform und mit UL - Zulassung

17 4. Anzahl der Schnittstellen verringert sich Mit konventioneller Technologie: Anschluss von Leistungs-und Steuerungsstömen über eine Leitung Mit HS - Technologie von Korsten & Goossens: Integration von Leistungsund Steuerungsströmen Steuerteil Leistungsteil

18 Lösung alt Lösung neu

19 SOT HOCHSTROMLEITERPLATTE 5. Anschlusstechniken Einpress-Kontakte Einpress-Anschlüsse Einpress-Relais Sockel Zugangsfläche elektr. Anschluss auf Signallage Bohrung außerhalb Hochstromlage Bohrung isoliert von Hochstromlage Gewinde bolzen Therm. Anbindung an Hochstromlage Gewindebohrungen im Hochstrombereich Sackloch COMBICON Anschlussfläche

20 6. Funktionalität 6.1. Technologievarianten und Wärme Technologievariante A Partiell eingebettete Hochstromleiter Technologievariante B Hochstromflächen Planes oder Split Planes Beispiel einer Hochstromlage

21 Technologievariante C Komplexe Hochstrom Leitergeometrien Technologievariante D Hochstromleiterplatte und Alukern zur gezielten Wärmeableitung Alukern

22 6.2. Reduktion von Streufeldeinflüssen durch gezielte Hochstrominnenlage bzw. Massefläche, vgl. Beispiel: Verteilung der Hochstromlage auf 4 Ebenen in Standard FR4 Ausführung Erzielung einer höheren Materialstabilität durch innenliegende Hochstromlage, vgl. Beispiel: 4 - Lagen Multilayer in Standard FR4 Ausführung. Montage durch das Aufschrauben von IGBT s mit einem wohldefinierten Drehmoment nicht möglich, ohne diese mechanisch zu beeinträchtigen. Gefahr von Hülsenrissen im Gegensatz zur Hochstromleiterplatte. Hülsenrisse

23 6.4. Im Gegensatz zur konventionellen Technologie sind bei entsprechendem Layout keine Durchkontaktierungen der mit Hochstrom durchflossenen Leiterbahnen notwendig 6.5. Durch die patentierte Hochstromtechnologie von der Korsten und Goossens GmbH kann im Gegensatz zur herkömmlichen Technologie die Gefahr von Über- und Unterätzfaktoren ausgeschlossen werden.

24 7. Fertigungsparameter Aussenlagen bzw. Signallage Hochstromlage C A B D A Mindest Leiterbahnbreite 0,18 2,0 B Mindest LB-Abstand 0,18 2,0 C Abstand zum LP-Rand 0,20 0 D Kleinste Bohrung Ø 0,80** 0,80** B E E Bohrloch - abstand 0,20 A Bei den Hochstromleitern ist nahezu jede Freiform möglich Sämtliche Angaben sind in mm und als Beispiel zu verstehen ** bei den Bohrdurchmessern ist das Aspect Ratio zu berücksichtigen

25 Standard-Stärken Hochstromkupfer 0,5mm 1,0mm 1,5mm 2,0mm 2,5mm Kupferdicken der Signallagen oder 70µm Der vertikale Mindestisolationsabstand Signallage zur Hochstromlage ( Außenlagen) beträgt 300µm Neben den Leiterplatten Standarddicken kann nahezu jede Dicke realisiert werden. Es können auch FR4-Hoch-Tg-Laminate und andere Harze verwendet werden.

26 Datenformat: Gerberdaten oder extended Gerber Design - Regeln: Vermeidung komplexer Hochstromstrukturen, Kupferanteil nicht über 60% Was zu beachten ist beim Leiterplatten Design... Angabe von Kupferdicken auf Innen- und Außenlagen Angabe von Spezialdrucken sowie Positionsdruck, Blaulack Mehrfach - Lötstoppmaske zur Erzielung höherer Spannungsfestigkeiten Typische Werte: 20-30µm Lötstopplack je Druck auf der Oberfläche, an den Kanten ca. 5-8µm bei einer Spannungsfestigkeit von ca kV/mm Mindestleiterplattendicke = Hochstromlage + jeweils 0,3-0,5mm Isolation, jedoch nicht über ca. 3,2mm Gesamtstärke

27 ... Was zu beachten ist beim Leiterplatten - Design Maximales Fertigungsformat: 570mm x 340mm, nach Absprache auch größer Bohrdurchmesser: >=0,8mm für Ankontaktierung der Hochstromlage; >=1,5mm für Durchbohrungen (variiert mit der Kupferdicke) Bohrrand / Freistellungen durch die Hochstromlage >=1mm von der Kante der Kupferschiene Einpresstechnik in der Hochstromlage mit speziellen Steckern (z.b. COMBICON) Hochstromschienen müssen am Stück zu fertigen sein Angabe der Oberfläche chem. Sn, chem. Ni/Au galv. Sn, galv. Ni/Au, galv. Ni/Au/Rh HAL bleifrei nach Absprache

28 8. Lötparameter bleifrei Löten Allgemein: Leiterplatten unbedingt vor dem Löten mit 120 bis 140 C je nach Kupferdicke und Lage Minuten im vorgeheizten Ofen tempern (sonst Gefahr von Delamination) Umgebaute Anlagen für bleifrei Löten erforderlich Geeignete Flussmittel für bleifreies Lot Wellenlöten (konventionelle Bestückung): bleifrei Löten bei ca. 250 C C für ca Sekunden (variiert) Verbesserte Lötergebnisse mit Vakuumlöten bzw. erhöhtem Wellendruck Bessere Umfließung des Lotes durch geeignete Steckerformen Reflow Verfahren (SMD - Bestückung): Bleifrei bei Peak ca. 240 C und 0,8 m/min Verweilzeit am Peak: ca. 5 Sekunden

29 Kaufmännische Aspekte Die Vorteile: Systempreis ist günstiger Miniaturisierung (geringerer Platzanspruch + Gewicht) Reduktion von Lieferanten und Montagearbeiten Anzahl der Schnittstellen verringert sich Kürzere Realisierungszeiten Einsparung von mechanischen Komponenten Technischer Fortschritt mit Hochstromleiterplatte möglich

30 Kaufmännische Aspekte Anwendung: Batterieantrieb für Flurförderfahrzeuge Mit konventioneller Technologie: Leistungs- und Steuerungsteil getrennt Mit HS - Technologie: Integration von Leistungs- u. Steuerungsteil

31 Kaufmännische Aspekte Kostengegenüberstellung Mit konventioneller Technologie: Mit HS - Technologie: Produktpreis: 180 Euro Produktpreis: 100 Euro Montagekosten: 20 Euro Montagekosten: 5 Euro Inbetriebnahme: 20 Euro Inbetriebnahme: 10 Euro Systemkosten: 220 Euro Systemkosten: 110 Euro An diesem Beispiel beträgt die Kosteneinsparung 50%.

32 ... und was können wir für SIE tun?... rufen Sie uns einfach an. Wir helfen Ihnen gerne, Ihre neuen Entwicklungen mit der optimalen Leiterplattentechnologie zu realisieren. IHR ANSPRECHPARTNER: Mr. Yingjun Zhang WARMES GmbH Luxemburger Str. 267 D Hürth Germany Telefone: Telefax:

33 Weitere Beispiel Anwendung BMS Battery Management System