DESIGN GUIDE Version 1.4. Design Guide für Hochstromlösungen mit WIRELAID

DESIGN GUIDE Version 1.4 Design Guide für Hochstromlösungen mit WIRELAID

Hochstromlösungen mit WIRELAID Technologie Ihr Nutzen Die stetig wachsenden Anforderungen an die Leistungs- und Steuerungselektronik in nahezu allen Branchen führen zu neuen Herausforderungen für die Leiterplattentechnologie. Um hohe Stromstärken bei gleichzeitiger Signalführung sicher über die Leiterplatte zu den jeweiligen Bauteilen zu führen, bietet die WirelaidTechnik als partielle Hochstromlösung eine kostengünstige Alternative zu Dickkupfer-Technik oder Parallelschaltung über zusätzliche Lagen. Bei der Drahtschreibetechnik Wirelaid werden Drähte direkt auf die Kupferfolie geschweißt und in die Platine eingebettet. Dadurch werden aus normalen Leitern, die nur geringe Stromstärken tragen, Hochstromleiter, die es ermöglichen, Leistung und Logik auf einer Platine zu realisieren. Mit UL-Kennzeichnung WE1 (UL 94 V-O) möglich. Ihre Vorteile Geringeres Systemvolumen Drähte ersetzen Dickkupfertechnik Verbesserte Entwärmung durch höhere Kupferquerschnitte Wegfall von Verbindungselementen Reduzierung der Lagenanzahl Verbindung von Logik und Leistung auf einer Lage Senkung von Systemkosten Erleichtertes Löten durch geringere thermische Masse im Vergleich zur Dickkupfer-Technik Dünnere Kupferlagen möglich Geringerer Flächenbedarf durch partielles Dickkupfer 2 www.we-online.de

Inhalt Drahttypen...................................... 3 Nomenklatur.................................... 4 Auswahl der Varianten......................... 4 Herstellungsprozess... Design Rules.................................... 6 3D Design Rules................................ 7 Stromtragfähigkeit............................. 8 Entwärmung.................................... 9 Kostenvergleich............................... Powerelemente................................ 12 Drahttypen F 14 Querschnittsfläche 1,4 x,3 mm2 Ø,49 mm2! Für die Kombination mit Semiflex stehen,1 mm dicke Drähte in unterschiedlichen Breiten zur Verfügung. 3

Nomenklatur Außenlage Innenlage ML6 Wire@1@6 ML6 Wire@2@ Das Beispiel zeigt einen Multilayer mit 6 Lagen und Drähten unter Lage 1 und Lage 6. Das Beispiel zeigt einen Multilayer mit 6 Lagen und Drähten unter Lage 2 und Lage. Zur Auswahl der Varianten gelten folgende Überlegungen: Komplexere Logikschaltungen verwenden SMD-Bauteile wie Controller und Speicher mit feinen Anschlussrastern. Um die Bestücklagen für Feinstleiterstrukturen frei zu halten, werden die Drähte auf innen liegende Lagen verlegt. Anforderungen bezüglich EMV und mehreren Versorgungsspannungen geführt auf Innenlagen, können nun mit Standardkernen und geringeren Kupferdicken erfüllt werden. Die Anzahl der Lagen ist dabei im Vergleich zum Standard Multilayer meist gleich, siehe Aufbau ML6 Wire@2@. Spielt die Entwärmung durch direkten Kontakt zum Gehäuse eine Rolle oder werden Leistungshalbleiter wie IGBT oder D²PAK direkt auf der Außenlage bestückt, dann wird diese Außenlage als Wirelaid Lage mit geschweißten Drähten verwendet. Siehe Aufbau ML6 Wire@1@6. Dies sollte ebenfalls für einfachere Logikschaltungen angestrebt werden. Außerdem werden viele Durchkontaktierungen und damit Kosten eingespart, wenn die Leistungsbauteile direkt auf dem Landepad der Drähte ankontaktiert werden können. Für einfache Schaltungen kann es möglich sein, die Anzahl der Lagen zu reduzieren. Außenlage? Innenlage? 4 www.we-online.de

Herstellungsprozess Am Anfang einer Wirelaid Herstellung werden die Drähte auf der Rückseite der Kupferfolie mit Hilfe des Widerstandsschweißens fixiert. Nachdem mit dem ersten Schweißpunkt der Draht befestigt wurde, wird dieser bis zum Endpunkt des Drahtes gezogen und abgelängt. Im Folgenden wird das Ende an die Folie geschweißt. Die mit Draht bestückte Folie wird nun gedreht und mit dem Draht nach innen durch ein Standardproduktionsverfahren verpresst und bildet dann die Außenlage der Leiterplatte. Die Drähte werden dabei vollständig eingebettet. Abschließend werden die Leiterstrukturen standardmäßig hergestellt. Layouterstellung und Dokumentation Erstellung einer zusätzlichen Gerberlage als Hilfslayer. Die Drähte werden durch runde Blenden mit der Drahtbreite 1,4 mm dargestellt. Auf der Bottomlage muss zentrisch zum Schweißpunkt ein Pad gesetzt werden, der Draht sollte im Design von einem Kupferleiter abgedeckt sein. top wirelaid_bottom (Hilfslayer) bottom, mm: maximaler Überstand Draht / prozessbedingt durch Abschneider 1,4 mm 1,4 mm Zentrum Schweißpunkt Flachdraht im Design Darstellung Draht in Hilfslayer mit runder Blende R:,7 mm Flachdraht im Produkt Durchmesser Schweißpunkt: 1, mm Zentrum Schweißpunkt

Design Rules Dimensionen (Minimum) F 14 Padgröße 3, x 3, mm² LB Leiterbreite über Draht 1,9 mm A1 Abstand Drahtmitte zu Drahtmitte bei getrenntem Potential (unter Berücksichtigung der Pad Positionierung) 1,9 mm + Isoabstand* A2 Abstand Drahtmitte zu Drahtmitte bei gleichem Potential 1,8 mm Smax Maximale Drahtlänge zwischen den Schweißpunkten mm Smin Minimale Drahtlänge zwischen den Schweißpunkten 7, mm L1 x B1 3 x 14 µm2 Flachdraht im Produkt Zentrum Schweißpunkt Flachdraht im Hilfslayer unter bottom Pad auf bottom Leiter auf bottom *Abhängig von der Kupferschichtdicke entsprechend des aktuellen Basic Design Guides der Würth Elektronik auf www.we-online.de Unterschiedliche Potentiale Gleiche Potentiale L1 LB A2 A1 B1 Smax Smin Struktur mit abgewinkelter Drahtführung 13, 67, m, m R: 2 13, 67, m, m R: 2 Isolationsabstand zur Innenlage Ergibt sich aus kundenspezifischem Lagenaufbau, den wir gerne für Sie erstellen. 6 www.we-online.de

3D Design Rules Dimensionen (Minimum) C Abstand Kupfer zu Fräskante,3 mm F Fräskanalbreite F =,4 x (Gesamtdicke Leiterplatte R) + 2 µm K Freistellung Lötstopplack Knickbereich 1, mm R Restmaterialdicke Draht- + Kupfer- + Lötstopplackdicke + 1 µm Drähte müssen rechtwinklig zum Übergangsbereich angeordnet sein. Für eine kontrollierte Biegung muss zwingend eine passende Biegevorrichtung eingesetzt werden. Biegeradien,1 mm sind möglich. Es ist darauf zu achten, dass die gebogenen Teile im Einbauzustand fixiert werden. K R F C! Im Layout bitte berücksichtigen: Die Wirelaid Drähte dürfen nicht durchgebohrt werden. 7

Stromtragfähigkeit Die folgenden Grafiken zeigen reale Messwerte unter Laborbedingungen bei Dauerstrom. Sie dienen als Richtwerte für eine erste Auslegung ohne die Berücksichtigung der Verlustleistung von Bauteilen, Layouteinflüssen und Umgebungsbedingungen wie Orientierung und Gehäuseeinflüssen. Bei mehr als vier Drähten F14 kann folgendes angenommen werden: pro Draht 12 A bei ΔT = 2 K Drähte unter der Außenlage Drähte unter der Innenlage Kupferfolie 3 µm + Galvanischer Aufbau Kupferfolie 3 µm 2 1 9 1 9 8 7 8 1 2 Erwärmung [K] Erwärmung [K] 7 6 4 3 1 2 4 3 2xF14 Cu 3 µm unter TOP 1xF14 Cu 3 µm unter L2 2xF14 Cu 3 µm unter L2 2 3xF14 Cu 3 µm unter TOP 1xF14 Cu 3 µm unter TOP 2 6 2 3 4 6 7 8 9 Strom [A] #!!" Kupferfolie 7 µm + Galvanischer Aufbau 3xF14 Cu 3 µm unter L2 4xF14 Cu 3 µm unter TOP 4xF14 Cu 3 µm unter L2 2 3 4 6 7 8 9 #!!" [A] Strom Kupferfolie 7 µm 1 9 9 8 8 7 7 2 1 2 3 Erwärmung [K] Erwärmung [K] 6 4 3 2xF14 Cu 7 µm unter TOP 4 1xF14 Cu 7 µm unter L2 2xF14 Cu 7 µm unter L2 3xF14 Cu 7 µm unter L2 2 3 4 6 7 8 9 #!!" [A] Strom 4xF14 Cu 7 µm unter L2 1 8 3 4 6 7 8 9 #!!" [A] Strom 1 8 2 3 Erwärmung [K] 4 3 1xF14 Cu µm unter TOP 2xF14 Cu µm unter TOP 2 3xF14 Cu µm unter TOP 4xF14 Cu µm unter TOP 2 www.we-online.de 3 7 6 2 2 9 7 Kupferfolie µm Erwärmung [K] 2 2 9 8 1 2 4xF14 Cu 7 µm unter TOP Kupferfolie µm + Galvanischer Aufbau 6 3xF14 Cu 7 µm unter TOP 3 1xF14 Cu 7 µm unter TOP 2 4 6 7 8 9 #!!" [A] Strom 2 3 6 4 3 1xF14 Cu µm unter L2 2 2xF14 Cu µm unter L2 3xF14 Cu µm unter L2 4xF14 Cu µm unter L2 2 3 4 6 7 8 9 #!!" [A] Strom

Vorgehensweise zur Ermittlung der Stromtragfähigkeit Versuchsaufbau Die Leiterplatten wurden in einem weitgehend thermisch isolierten Messrahmen bei einer ausreichend konstanten Umgebungstemperatur von 22 C gemessen. Die Stromzuführung erfolgte mit Hilfe von Lötpads. Je fünf Minuten lang wurden die verschiedenen Ströme eingeprägt, sodass sich ein stabiler Zustand der Temperaturgradienten einstellte. Danach wurde ein Infrarotbild aufgenommen und die Temperatur der Leiterbahnoberfläche festgehalten. Standard FR4 Leiterplattendicke: 2,2 2, mm Kontur: 11 x 8 mm² Gleichmäßige Kupferverteilung der Lagen von 4 % Für die Versuchsreihe wurden die unten abgebildeten Aufbauvarianten verwendet. Drähte unter der Außenlage Drähte unter der Innenlage Cu Top Cu Top Cu Layer 2 Cu Layer 2 Kern Prepreg Cu Layer 3 Cu Layer 3 Cu Bottom Cu Bottom Entwärmung Eine passive Entwärmung verlängert die Lebensdauer von Leistungshalbleitern. Mit Wirelaid Erreicht wird das durch eine massive Erhöhung der Wärmespreizung direkt unter dem Bauelement z. B. der Bauformen TO2xy oder D²PAK über dort angeschweißte Drähte. Dies passt optimal zu den SMT-Bauteilen. Nachfolgend das Ergebnis eines praktischen Versuchs: Man erkennt nach ca. s die Drähte, die die Wärme des Bauelements ableiten und dieses dadurch kühlen. Erwärmung des Chips von Tu = 2 C bis Tmax bei nomineller Verlustleistung (16, W / cm²). Schweißpunkt Draht F14 Entwärmung eines Arrays durch einen gemeinsamen Wirelaid Draht mit Schweißpunkten unter den Bauelementen. Links Tmax = C ohne Drähte, rechts Tmax = 38 C mit Drähten. Deutlich Verbesserte Hot Spot Situation: Eine um 17 K niedrigere Temperatur entspricht nach Arrhenius etwa einer Verlängerung der Lebensdauer um den Faktor 4! 9

Kostenvergleich Um die Entscheidung treffen zu können, ob eine Standard -Dickkupfertechnik oder Wirelaid für eine Serienproduktion eingesetzt wird, ist es bereits zu einem frühen Zeitpunkt wichtig, eine belastbare Kostenabschätzung oder einen Kostenvergleich zu haben. Hier folgt ein Vergleich einer häufig verwendeten Konstruktion mit partieller Hochstromtechnik bei gleicher Stromtragfähigkeit. 6-Lagen: innen 2 µm / außen 7 µm WIRELAID Verpressung Standard ML6 Basis WIRELAID ML6 Wire@2@ WIRELAID ML6 Wire@1@6 WIRELAID ML4 Wire@2@3 3 μm 3 μm 7 μm 3 μm 7 μm μm 2 μm 7 μm,2 mm,2 mm 2 μm 7 μm 7 μm,2 mm 7 μm 7 μm 2 μm,2 mm μm,2 mm 7 μm 2 μm 7 μm 3 μm 7 μm 3 μm 3 μm Anzahl der Drähte pro Produktionspanel bis zur Kostengleichheit 1.272 1.34 Einsparung von zwei Lagen 1.44 In allen alternativen Varianten sind die Preisvorteile für partielle Hochstromlösungen mit Wirelaid Technik eindeutig. Der Preisvorteil kommt durch die Einsparung der 2 µm Kupfer auf den Innenlagen sowie eine deutliche Reduzierung der Material- und Ätzkosten. Erst bei der Benutzung von 1.272 bzw. 1.34 bzw. 1.44 Wirelaid Drähten pro Herstellpanel ist der Vorteil aufgebraucht, wobei es sich dann immer noch nicht lohnt, die Standardtechnik einzusetzen, da Wirelaid spürbare Vorteile bezüglich Lötprozess und Gewicht bietet. Bei der ersten Wirelaid-Variante (2. Grafik von links) mit Drähten auf der Innenlage wird eine weitere Multilayer-Verpressung notwendig. Der Kostenvorteil gegenüber dem Dickkupferaufbau fällt zwar dadurch etwas geringer aus, aber die Konstruktion bietet entscheidende Vorteile für Logiklayout auf der Außenlage, weil die Wirelaid-Drähte innen platziert sind und die Außenlage noch dazu mit einer dünneren Kupferfolie 3 µm oder gar 18 µm ausgeführt werden kann. Damit sind dann auch Feinstleiter auf den Außenlagen problemlos möglich. Weitere Kostenvergleiche sind auf Anfrage verfügbar.! In der weiteren Herstellung der Leiterplatte vereinfacht Wirelaid grundsätzlich den Bohrprozess und reduziert damit die Bohrkosten, weil die zu bohrende Kupferdicke mehr als halbiert wird! www.we-online.de So möchten wir unseren Kunden neben den technologischen Vorzügen, auch noch die Kostenvorteile verdeutlichen Andreas Schilpp, verantwortlicher Produktmanager für Hochstromprodukte bei Würth Elektronik.

Kostenvergleich auf Systemebene Bei komplexeren Systemen besteht das größte Einsparpotenzial auf der Systemebene. Durch die Kombinationsmöglichkeit von Hochstrom und Logik auf einer Leiterplatte können Logikmodule integriert werden. Neben einer einfacheren Wirelaid Leiterplatte kann damit das Gesamtsystem optimiert werden. Nachfolgendes Beispiel soll dies verdeutlichen: Ausgangssituation: Eine Multilayerschaltung mit sechs Lagen, jeweils µm Kupfer, übernimmt die Hochstromaufgabe. Die Logik wird auf einem Modul mit Feinleitertechnik realisiert und über Steckverbinder auf die Hauptplatine kontaktiert. Neue Lösung mit Wirelaid: Durch die Möglichkeit der Feinstleiterstrukturen auf der Bestücklage kann das Logikmodul komplett integriert werden. Die Verbindungstechnik entfällt ebenso wie alle anderen Systemkosten für das Modul und die Verheiratung. Das einfachere System bringt nun folgende Einsparungen mit sich (Beispielrechnung): bisherige Lösung neue Lösung Leistungsplatine ML6, µm, Logikmodul & Verbindungstechnik Wirelaid Leiterplatte ML6, 3 µm, Wire@1 System Hauptplatine 6,,9 Logikmodul 1, Verbindungsteile 2, Einrichtekosten Bestückung 1. Pastenschablonen 4 2 AOI Test 2 12 Testkosten 2 Rüstkosten pro Auftrag 4 2 3x 1x Lager und Logistik Die Kosten können in diesem Beispiel praktisch halbiert werden. Beeindruckend ist auch das enorme Einsparpotenzial bei den Einrichtekosten, die absolut gesehen insbesondere bei kleinen Stückzahlen entscheidend sind. Weitere systembedingte Vorteile resultieren aus der geringeren Kupfermenge und damit geringerer Wärmekapazität: Deutliche Vereinfachung des Lötprozesses, Einsparung von Prozesskosten für Sonderlötprozesse, höherer Yield Hand- und Selektivlötungen sind nun möglich, ebenso für den Fall der Reparatur Spürbare Gewichtsreduktion 11

Powerelemente Zum Anschluss der Wirelaid Leiterplatten eigenen sich Powerelemente. In SMD-Technik sind sie vollautomatisch bestückbar, bis A einsetzbar und bieten sehr hohe Haltekräfte und Drehmomente. In Press-Fit-Technik sind sie auch für Ströme bis 3 A und bis M Anschlussgewinde erhältlich. Für die Press-Fit-Technologie gelten folgende Spezifikationen: Bohrlochspezifikation für HAL für chemische Oberflächen pezifikation für chemischebohrlochspezifikation Oberflächen [ø 1,6 -,3] ø 1,47 ±, min. 2 μm copper max. 6 μm! 12 min. [ø, 1,6 -,3] ø 1,47 ±, min., min. 2 μm copper max. 6 μm Weitere Informationen zu Hochstromanwendungen in Kombination mit Logik finden Sie hier: www.we-online.de/power www.we-online.de [ø 1,6 -,3] ø 1,4 ±, max. 1 μm Sn min. 2 μm copper max. 6 μm Bohrlochspezifikation für HAL 1,6 -,3] min.[ø, ø 1,4 ±, max. 1 μm Sn min. 2 μm copper max. 6 μm Würth Elektronik GmbH & Co. KG Circuit Board Technology Salzstr. 21 74676 Niedernhall Germany Tel: +49 794 946- Fax: +49 794 946- cbt@we-online.de