Gedruckte Impulswiderstände in den PCB-Innenlagen ermöglichen erstmals Hochvolt-Anwendungen

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Würth Elektronik GmbH & Co. KG Circuit Board Technology

Laserabgleich für Pull-up/Pull-down-Anwendungen

Standardwiderstände für Pull-up/Pull-down-Anwendungen lassen sich ohne Laserabgleich mit einer Toleranz von ± 30% fertigen. Für höherwertige Anwendungen kann die Toleranz mit Hilfe des Laserabgleichs der Widerstände auf ±5% über die Gesamtlebensdauer eingeschränkt werden; sogar unter extremen klimatischen Bedingungen (40°C/92% rel. Feuchte/1000 h).

Durch polymere Dickschichtsysteme wie denen von Würth Elektronik mit einem nicht linearen positiven Temperaturkoeffizienten können zudem Heizflächen realisiert werden, die durch die Widerstandscharakteristik selbstregelnd sind. Dadurch lassen sich nahezu konstante Temperaturen bis 60°C erzeugen.

Reine Mathematik: 25 kW Leistung für 2 ms

Alle Impulswiderstände, die bei Würth mit dem geheimen Inhouse-Rechenmodell bis jetzt berechnet wurden, funktionieren problemlos. Der Weg zu der komfortablen und erfolgversprechenden Lösung war logisch. Normale Leistungswiderstände werden heiß und benötigen große Kühlflächen. Bei 10 W Leistung ist ein Kühlkörper in der Größenordnung von 10cm × 5 cm notwendig. Bei Leistungswiderständen, die beispielsweise 25 kW für eine Dauer von 2 ms aushalten müssen, würde ein Aluminium-Kühlkörper nun aber nichts nützen. Muss er auch nicht, weil diese hohe Leistung in der kurzen Zeit nicht viel Energie bedeutet. Das macht die Sache einfach. Eine besondere Herausforderung ist es, die Theorie in die passende Mathematik umzusetzen und zu verstehen, was in der Praxis eine Leistung von 25 kW für 2 ms für die Dickschicht tatsächlich bedeutet.

Rechenmodell und Design-Regeln

Würth Elektronik hat ein Rechenmodell entwickelt und währenddessen erkannt, dass sich sein impulsfestes Leitpolymer hervorragend für diese speziellen Anforderungen eignet. Das multifunktionale Dickschichtsystem absorbiert die elektrische Energie und wandelt sie in Wärme um. Vereinfacht dargestellt wird errechnet, dass die zu erwärmende Menge so groß ist, dass sie 170 °C nicht überschreitet. In der praktischen Umsetzung liefert der Kunde die Daten an Würth Elektronik, der sie in sein Rechenmodell eingibt und Länge, Breite und Dicke des Impulswiderstandes ermittelt.

Zur Mathematik muss aber auch noch die Verfahrenstechnik für die Dickschichttechnologie hinzukommen, damit der gleichwohl richtig berechnete Widerstand nicht doch noch am Ende verbrennt. Denn ein dermaßen hoher Impuls, der durch die Dickschicht durchgeht, kann an inhomogenen Stellen sogenannte Hot Spots (heiße Flächen) erzeugen und aufgrund kleinster Inhomogenitäten durchbrennen.

Schlussendlich ist noch zu bedenken, dass hohe Energien meistens auch hohe Spannungen bedeuten. Das kann unterschiedlichste Gründe haben. Eine Ursache ist das Einwirken von Störungen aus dem Netz, als Surge- oder Burst-Impulse bekannt, die die Elektronik zerstören. Impulswiderstände verhindern dies, indem sie die Energien absorbieren; dadurch können sie im Endeffekt Varistoren und andere teure Halbleiterelemente ersetzen.

In allen Spannungsbereichen erfolgreiche Tests

Die auf Basis der Polymerdickschicht von Würth integrierten Impulswiderstände bewährten sich bereits in allen drei Spannungsbereichen bei Kundenanwendungen also in der Niederspannung, der normalen Spannung und der Hochspannung.

Im Niederspannungs-Fall wurde ein Impulswiderstand in einem Motorkommutator integriert, dessen Aufgabe die Funkenlöschung ist. Und zwar in einer Größenordnung von 120 V; während die normalen Spannungen in dem System nur 5 V sind. Einen herkömmlichen Impulswiderstand, der auf Keramik aufgebracht ist, hätte der Kunde in dieser Einheit nicht verwenden können und insgesamt wesentlich teurer mit mehr Platzaufwand realisieren müssen. Die Lösung von Würth Elektronik hat die ersten Tests beim Kunden bereits bestanden; rund 800.000 integrierte Impulswiderstände sind bereits im Feldeinsatz.

Im Falle des Beispiels Störimpulse aus dem Netz, ist der Impulswiderstand etwas kräftiger ausgelegt. Der Impulswiderstand mit 25 kW Leistung liefert dem Kunden eine sehr kostengünstige und zuverlässige Lösung, für die normalerweise Varistoren zum Einsatz kommen; sie liegt im Bereich von einigen 1000 V. Vergleichsweise erfordern 25 kW Leistung etwa Tisch-große Kühlkörper; bei der Würth-Lösung betragen die Ausmaße gerade einmal 10 mm × 12 mm. Erste Anwendungen sind Polymerhybrids für Komponenten im Projekt „Intelligenter Strom“.

Im Hochspannungsbereich haben aktuell die Kundenmuster den TÜV-Test für gedruckte Hochspannungswiderstände mit derzeit bis zu 200.000 V bestanden. Auch hier erfolgt die Realisierung in Polymerdickschicht auf der Leiterplatte, was bis vor kurzem für den Gigaohm-Bereich noch für unmöglich gehalten wurde. Denn hohe Spannungen führen zu derart hohen Feldstärken, gekoppelt mit elektrostatischen Kräften, dass sie einen normalen Karbonwiderstand bereits beim ersten Versuch explosionsartig zerstäuben lassen. Doch die Polymerdickschicht hält diesen hohen Feldstärken Stand. (unterstützt von einer runden Geometrie, die vor allem ab 100.000 V scharfe Ecken vermeidet, an denen die Funken sprühen würden).

*Frank Dietrich ist Leiter der Entwicklung bei Würth Elektronik FLATcomp Systems, Pforzheim

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