HSMtec Hochstrom- und Wärmemanagement auf Leiterplatten

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1 HSMtec Hochstrom- und Wärmemanagement auf Leiterplatten Häusermann GmbH I A-3571 Gars am Kamp I Zitternberg 100 I Tel.: +43 (2985) I Fax: +43 (2985) I info@haeusermann.at Agenda Unternehmen Technologie Anwendungsbeispiele Referenzanwendungen / wirtschaftliche Aspekte Konstruktion / Verarbeitung Grundlagen Zusammenfassung 1

2 Häusermann GmbH A-Gars am Kamp Unternehmenskennzahlen Produkte: Strategie: Marktsegment: Märkte: Leiterplatten, Folientastaturen High Tech/High Service Klein- und Mittelserien Österreich, Deutschland, Schweiz Anzahl Kunden*: 650 Kapazität*: m² Leiterplatten / Aufträge p.a. Anzahl Mitarbeiter*: 174 * per Dezember

3 Produktspektrum Leiterplatten Multilayer HDI Starrflex HSMtec 18 Lagen Impedanzkontrolle Microvias Buried vias Mehrere Flex-Lagen möglich. Aufbauten: - symmetrisch - asymmetrisch Integration von - Kupferprofilen - Kupferdrähten 5 Umsatzverteilung Produktgruppen Märkte Folientastaturen 9% Deutschland 32% Leiterplatten 91% ROW 4% Österreich 64% Gesamtumsatz 2009: 18,3 Mio. 6 3

4 Agenda Unternehmen Technologie Anwendungsbeispiele Referenzanwendungen / wirtschaftliche Aspekte Konstruktion / Verarbeitung Grundlagen Zusammenfassung Ausfallsursachen Elektronischer Systeme Quelle: US Air Force Avionics Integrity Programm (AVIP) 4

5 HSMtec vereint Hochstromfähigkeit und Thermalmanagement in einer Technologie Selektives Einbetten von CU-Profilen oder Drähten an jenen Stellen, an welchen hohe Ströme fließen bzw. Wärme entsteht. Höhere Ströme auf kleinstem Raum Geringerer Platzbedarf Geringeres Gewicht Besseres Thermalmanagement Integration in Standard FR4 Material, daher als Standardprozess verarbeitbar Qualifizierte, etablierte Technologie Minimaler Platzbedarf HSMtec realisiert hohe Ströme bei minimalem Platzbedarf Gegenüberstellung Platzbedarf Draht und Profil zur Kupferfolie 70µm und 105µm Breite in mm Draht 500µm ø Profil 2000µm x 500µm ø Profil 4000µm x 500µm ø 0 0,5 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 Draht 0,5 mm Cu 105µm Cu 70µm Profil 2,0 x 0,5 mm Cu 105µm Cu 70µm Profil 4,0 x 0,5 mm Cu 105µm Cu 70µm 15 5

6 Besseres Thermalmanagement Reduktion des thermischen Widerstandes durch massive Kupferquerschnitte Optimale Wärmeableitung aufgrund durchgängiger metallischer Pfade zum Kühlkörper Leiterplatte mit HSMtec -16 K/W Standard - Leiterplattentechnologie Kühlkörper/Gehäuse Kühlkörper/Gehäuse ΔT: 22,1 C ΔT: 44,6 C Verlustleistung der LED: 1,4Watt, Umgebungstemperatur: 26 C Fertigung HSMtec Standard-Leiterplattenprozess Mehraufwand beschränkt sich auf einen zusätzlichen Arbeitsgang Drähte/Profile auf Innenlagen: HSMtec auf IL Materialentnahme Innenlagen ätzen Multilayer verpressen..... Drähte/Profile auf der Außenlagen: HSMtec auf Cu-Folie Materialentnahme Innenlagen ätzen Multilayer verpressen

7 HSMtec Technik und Vorteile HSMtec vereint Hochstromfähigkeit und Wärmemanagement in einer Technologie Kostenoptimiertes Einbringen von Kupferprofilen und Drähten in Standardleiterplattenmaterial FR 4 Hochstromfähigkeit Wärmemanagement Status und Qualität Hohe Ströme ohne Zusatzbauteile (Stromschienen...) Reduktion von Steckern, Kabeln und Montage Für Ströme bis typisch 400 A Hohe Ströme & Steuerelektronik auf einer Leiterplatte Verringerung der Leiterplatten & Bauteilerwärmung kein therm. Stress der Lötstellen Optimierte Wärmeab- und -durchleitung bei Leistungsbauteilen & LEDs Serienreife Technologie Verfahren qualifiziert: DIN EN ; JEDEC A 101-A Auditiert für Automotive und Luftfahrt 100% stoffschlüssige Verbindungsstellen Kostenvorteil bei Hochstromanwendungen insbesondere wenn Leistungselektronik und Steuerung auf einer Leiterplatte 28 Agenda Unternehmen Technologie Anwendungsbeispiele Referenzanwendungen / wirtschaftliche Aspekte Konstruktion / Verarbeitung Grundlagen Zusammenfassung 7

8 Hauptanwendungsfelder HSMtec Hochstromanwendungen Thermalmanagement Sonderlösungen Wechselrichter Gleichrichter Frequenzumrichter Leistungsschaltung (MOSFETs, IGBTs...)... Leistungsbauteile LED-Technik Wärmespreizung und Ableitung Entwärmung bei Leistungselektronik... Eckverbinder bei besonderen Rahmenbedingungen Besondere Einbausituation... Mehrdimensionale Anwendungen Technologie Elektrische Verbindung zwischen Schaltungseinheiten durch Verlegung von Runddrähten. Sollbiegestellen durch Tiefenfräsung Mehrdimensionale Anwendungen in Kombination mit hohen Strömen möglich Kostenoptimierte Alternative zu Starrflex-Lösungen Anwendungen 90 gebogen 8

9 Agenda Unternehmen Technologie Anwendungsbeispiele Referenzanwendungen / wirtschaftliche Aspekte Konstruktion / Verarbeitung Grundlagen Zusammenfassung Referenzanwendung Motorsteuerung mit IGBT - 125A Gegenüber unterschiedlichen Dickkupfervarianten bietet HSMtec bei Motorsteuerungen (Inverter) neben technologischen auch echte Kostenvorteile Beschreibung/Anwendung Kundenanwendung Motorsteuerung eines Gleichstrommotors mit IGBT Stromstärke 125 A Dauerstrom max. zulässige Erwärmung = 40K Mess- und Steuerelektronik auf einer Leiterplatte ΔT HSMtec Standard FR4, 105 µ Cu, verstärkt mit HSMtec 4 mm Profil 500 µm, Flächenanteil HSMtec ~8 % Kostenvergleich ( ) Dickkupfer I 4 Lagen, Außenlage 210 µm Dickkupfer, 2 Innenlagen für Signale Systemvergleich 210 µm Signale 35 µm 210 µm - 13% HSMtec ermöglicht Steuerelektronik mit Leiterstrukturen bis 150 µm auf 45,68 39,93 einer Platine in Kombination mit hohen Strömen zu realisieren. Feinste Leiterstrukturen bei 210µm Dickkupfer problematisch Dickkupfer HSMtec 9

10 Referenzanwendung Motorsteuerung mit IGBT - 125A Gegenüber Stromschienen bietet HSMtec bei Motorsteuerungen (Inverter) neben technologischen auch echte Kostenvorteile Beschreibung/Anwendung Kundenanwendung Motorsteuerung eines Gleichstrommotors mit IGBT Stromstärke 125 A Dauerstrom max. zulässige Erwärmung = 40K Mess- und Steuerelektronik auf einer Leiterplatte ΔT HSMtec Standard-FR4, 105 µ Cu, verstärkt mit HSMtec 4 mm Profil 500 µm, Flächenanteil HSMtec ~8 % Kostenvergleich ( ) Stromschienen Standard-FR4, 105µm Kupfer 130 cm automatisch bestückbare Stromschienen in untersch. Längen Systemvergleich 44,43 7,60 Stromschienen - 10% Handling von nur einem Produkt Zusätzliche Fertigung Stromschiene => Reduktion der Aufwände für PCB Logistik/Einkauf (5 Varianten von Stromschienen in div. Längen) 3,06 39,93 durch HSMtec HSMtec Reduktion des Bestückungsaufwandes Minimierung der Schnitt- bzw. Kontaktstellen Referenzanwendung Motorsteuerung für Gabelstapler Beschreibung/Anwendung Kundenanwendung Steuerung zweier Gleichstromantriebsmotoren für einen Gabelstapler Bauteile MOSFET s mit Steuerelektronik Stromstärke 3 x 200A (je 4 parallele MOSFET s) max. zulässiges ΔT = 40K (Umgebungstemp, = 60 C) HSMtec Leiterplatte FR4, 4-Lagen, 2.4mm Dicke, chem. Sn Abmessung 228mm x 126mm Kupferprofile 680 mm Profile (4mm breit) unter der Lötseite und unter Bauteilseite Kostenvergleich ( ) - 12% Vorteile HSMtec und PCB - Layout Effiziente Nutzung des vorhandenen Platz auf der Leiterplatte (im Gegensatz zu herkömmlichen Technologien) Steuer & Leistungselektronik auf einer Leiterplatte Einhaltung der notwendigen Spannungsabstände, speziell im Zuleitungsbereich der einzelnen MOSFET s 30,63 27,35 Dickkupfer HSMtec 10

11 Referenzanwendung Rotorblattsteuerung für Windkrafträder Beschreibung/Anwendung Kundenanwendung Steuerung der Stellung der Rotorblätter bei Windkrafträdern Bauteile Hochstromstecker, IGBT Stromstärke 35A Dauerstrom / 70A für 10 Sek. auf mehreren beidseitig verlaufenden Leiterbahnen max. zulässige Erwärmung ΔT = 30K Z-Aufbau und Thermographie HSMtec Platine Leiterplatte FR4, 268x195mm, 4-Lagen, 1.7mm, chem. NI/AU Kupferprofile 1180mm (2mm und 4mm breit) unter der Lötseite und Bauteilseite Kupferquerschnitt 4mm² pro Leiterbahn Gesamtverlustleistung aller Hochstromleitungen 5Watt / ΔT = 30K mit Kupferprofilen 40 % Platzeinsparung dank HSMtec Referenzanwendung LED Außenleuchte Aresa 1/2 Beschreibung/Anwendung Kundenanwendung LED Außenleuchte mit homogener Ausleuchtung und geringem Energieverbrauch 32 LEDs des Typs Cree XLamp XP-E in Serie geschaltet 40 W Gesamtleistung (1,1 Watt Leistungsaufnahme pro LED) 100 Lumen Lichtausbeute pro LED h Betriebsstunden (bei 70% des Anfangs-Lichtstromes) Vorteile durch HSMtec / Technische Eckdaten 25 % Energieeinsparung (im Vergleich zu Kompaktleuchtstofflampe) 10 % höhere Lebensdauer der LEDs (durch Senkung der Betriebs- Sperrschichttemperatur um 5 C) Hohe photometrische Flexibilität (individuell ausrichtbare LED-Segmente) Verringerter Montageaufwand und vereinfachtes Handling Verringerter Ausschuss (gegenüber Alternativtechnologien) 4-Lagen ML, 1.2 mm Dicke Kupferprofile auf Innenlage 25 Watt Wärmeverlustleistung werden über PCB abgeführt 11

12 Referenzanwendung LED Außenleuchte Aresa 2/2 Technische Lösung Weiße Oberfläche für optimierte Lichtausbeute Thermische Vias unterstützen den Wärmeabtransport Mechanisch stabile LED-Segmente ersetzen zusätzlichen Montageauswand Selbsttragende, flexible Elemente erlauben die individuelle Anpassung des Neigungswinkels 12mm breite Kupferprofile sorgen für gezielten Wärmeabtransport über die Biegestelle zum Kühlkörper 2mm Kupferprofile übernehmen die elektrische Ansteuerung über die Biegestelle Microvias / Sacklöcher zur thermischen Ankontaktierung der LED s Kerbfräsungen an den Sollbiegestellen erlauben Biegeradien bis zu 90 Referenzanwendung LED Ringbeleuchtung zur opt. Bildverarbeitung Beschreibung/Anwendung Kundenanwendung LED Beleuchtungseinheit zur Montage auf Kameraobjektiv Einsatzzweck Gezielte Ausleuchtung von Objekten in der industriellen Bildverarbeitung Individuelle Anpassung der Ausleuchtung durch Justierung der einzelnen LED-Laschen Lagenaufbau & PCB Layout FR4, 4-Lagen, 1.6 mm Dicke, Bleifrei HAL PCB-Durchmesser: 149mm 49 Kupferprofile mit je 2mm Breite 33 Drahtverbindungen Ø = 0,5mm Technische Lösung Wärmeableitung / elektrische Ansteuerung über 2mm Kupferprofile und 0,5mm Drähte über die Biegestelle Innenlagen mit Kupfer geflutet zur optimalen Wärmespreizung In die Biegestellen integrierte Kupferprofile stabilisieren und tragen die einzelnen LED-Segmente Kerbfräsungen an den Sollbiegestellen erlauben Biegeradien bis zu 90 12

13 Referenzanwendung Kabinenlicht für Luftfahrt 32 LEDs Beschreibung/Anwendung Kundenanwendung Kabinenlicht für Luftfahrt mit unterschiedlichen Lichtfarben 32 High brightness LEDs mit Ansteuerung als Lichtband Entwärmung der LEDs über integriertes Kupferprofil ~500 µm und Thermovias zum Kühlkörper (Gehäuse) auf die Rückseite Flächenanteil HSMtec ~2 % Kostenvergleich der Leiterplatte und alternativer Aufbau ( *) HSMtec 4,18 0,94 1,68 1,36 IMS 0,21-9% 4 Lagen Standard-FR4, 35 µm für Steuerelektronik LEDs mit integriertem 500µm Kupferprofil (HSMtec) entwärmt; 3,82 HSMtec IMS Zusätzliche Fertigung AL Platte PCB-Signal PCB HC LEDs auf 2 mm Alu Platte, einseitig kupferkaschiertes Material 35µm mit 70 µm Prepreg als Dielektrikum gesonderte Steuerelektronik, 4 Lagen FR4, 35µm, 2-seitig direkt verlötet Flexkabel oder Pfostensteckverbinder IMS: Insulated Metal Substrate Mehrdimensionale Anwendungen Technologie Anwendungen Selbsttragende mehrdimensionale Anwendungen in Kombination mit gezieltem thermischen Management und hohen Strömen Kerbfräsungen an den Sollbiegestellen erlauben Biegeradien bis typisch 90 Integrierte Kupferprofile / Drähte sorgen für gezielte Wärmeableitung sowie elektrische Verbindungen über die Biegestelle Kostenoptimierung im Gegensatz zu herkömmlichen mehrdimensionalen PCB-Technologien 90 gebogen 13

14 Kostenoptimierung Kostenreduzierung gegenüber einer herkömmlichen Hochstrom-Leiterplatte Geringerer Montageaufwand Einsparung von Stromschienen Wegfall von aufwendigen Kühlmaßnahmen Wegfall von Steckverbindungen Logistikaufwand (weniger Leiterplattentypen, weniger Lieferanten etc.) Geringerer Service- Wartungs- und Prüfaufwand Zeitersparnis durch einfaches Layouten und Designfreiheit Reduktion der mechanischen Teile Optimierung der Lagenzahl Reduktion der Systemkosten Agenda Unternehmen Technologie Anwendungsbeispiele Referenzanwendungen / wirtschaftliche Aspekte Konstruktion / Verarbeitung Grundlagen Zusammenfassung Anfrage / Bestellvorgang Designrichtlinien Anschlusstechniken auf der LP Verarbeitung / Bestückung / Löten 14

15 Anfrage und Beratung Ev. Designmodifikation Kundenanfrage Lösungsvorschlag Bestellung Fertigung Layoutdaten inkl. Standardparameter sowie 1. Kennzeichnung der Hochstromleitungen 2. Stromstärken 3. max. Umgebungstemperatur 4. max. zul. Delta T Details Details DESIGNRULES: Übersicht 1-8. Lagenaufbauten, Dicken und Lagenabstände 9. Profil unter LED zur Wärmeableitung 10. Profile unter Außenlage für hohe Ströme 11. Drähte und Profile unter Außenlage 12. Große Designfreiheit für Runddraht 0,5mm 13. Lagenwechsel 14. Platzeinsparung mit Draht 0,5mm zu geätzten Leitungen 15. Mehrdimensionale Leiterplatte mit HSMtec 16. Alle Maße auf einem Blick 17. Stromtragfähigkeit 15

16 Anschlusstechniken auf Leiterplatten Die Anschlusstechnik für Hochstromanwendungen ist ein wichtiger Teil des Gesamtsystems und beeinflusst wesentlich Preis, Funktion und Zuverlässigkeit Direkte Verlötung auf der Oberfläche bzw. in Bohrungen Einpresskontakte Gewindebolzen Muttern Stecker und Sockel Hochstrom Stecker für Ampere Agenda Unternehmen Technologie Anwendungsbeispiele Referenzanwendungen / wirtschaftliche Aspekte Konstruktion / Verarbeitung Grundlagen Zusammenfassung 16

17 Grundlagen Hochstrommanagement Einflussfaktoren auf die Strombelastbarkeit von Leiterbahnen Unterschiedliche Lagenaufbauten mit und ohne Masselagen (Wärmespreizung) Verhältnis Leiterbreite/Leiterhöhe Umgebungstemperatur Benachbarte Hochstrom-Leiterbahnen nebeneinander und übereinander Impulsströme Querschnittsverjüngungen Durchkontaktierungen Grundlagen thermisches Management Die 3 Grundsäulen des Wärmetransports aus den Gesetzen der Physik Wärmeleitung Konvektion Wärmestrahlung Lüfter Material mit hohem λ Lüfter Konvektion durch Luft Strahlung zur gering reflektierenden Fläche hin Details Details Details 17

18 Agenda Unternehmen Technologie Anwendungsbeispiele Referenzanwendungen / wirtschaftliche Aspekte Konstruktion / Verarbeitung Grundlagen Zusammenfassung Zusammenfassung HSMtec - Eine innovative Leiterplatten-Technologie von Häusermann HSMtec vereint Hochstromfähigkeit und Wärmemanagement in Standard- Leiterplatten-technologie auf engstem Raum Selbsttragende mehrdimensionale Strukturen HSMtec ist vielseitig einsetzbar Leistungs- und Steuerelektronik in nur einer Leiterplatte => Platz verwenden statt verschwenden

19 Kontakt HÄUSERMANN GmbH A-3571 Gars am Kamp, Zitternberg 100 Phone Fax Web Competence Center HSMtec A-3571 Gars am Kamp, Zitternberg 100 Phone Fax Copyright 2010, Häusermann GmbH, Zitternberg 100, A-3571 Gars am Kamp Vervielfältigung und Weitergabe an Dritte nur mit ausdrücklicher Genehmigung der Häusermann GmbH