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3D-Hochstrom-Leiterplatten

Hochstrom-Leiterplatte begegnet Anforderungen der Antriebstechnik

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Anbieter zum Thema

KSG Austria GmbH
Beta LAYOUT GmbH
Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH
CTX Thermal Solutions GmbH

Spannungsfestigkeit und Stromtragfähigleit

Servo-Controller oder Frequenzumrichter mit Spannungen von 400 bis 690 V nach IEC und 600 V nach UL, im Gleichstromkreis sogar bis 1000 V, sind keine Seltenheit. Für die komplexer werdenden Antriebsregler kommt vielfach noch die Forderung nach hoher Stromtragfähigkeit bei kleinstmöglichem Platz hinzu. HSMtec reduziert die Leiterbreiten für hohe Ströme und ermöglicht somit, die notwendigen Spannungsabstände auch auf kleinster Fläche einzuhalten.

Beispiel: Bei einer geforderten Spannungsfestigkeit von 800 V muss die Prüfspannung um den Faktor 4 größer sein, d.h. 3200 V. Um diese Spannungsfestigkeit einzuhalten, sind entsprechend große Abstände von einigen Millimetern zwischen den Leiterbahnen, zu Bohrungen und anderen fremden Potenzialen erforderlich. Exakt abgestimmte Lagenaufbauten und Isolationsabstände, auch zu den Kupferprofilen, garantieren die Spannungsfestigkeit zwischen den Lagen.

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Maßgeblichen Einfluss auf die Stromtragfähigkeit der Leiterbahnen hat der Lagenaufbau. Die Stromtragfähigkeit verdoppelt sich, wenn zwei Masseinnenlagen vorhanden sind, die keine Eigenerwärmung haben. Folglich erhöht eine Wärmespreizung durch solche Masselagen die Strombelastbarkeit. Weitere Einflussfaktoren sind das Verhältnis der Leiterbahnbreite zur Leiterbahnhöhe, die Umgebungstemperatur (Tu) und die Anordnung benachbarter Leiterbahnen. Möglichst viel und richtig angeordnetes passives Kupfer neben, unter oder über den eigentlichen stromführenden Leiterbahnen im Leiterplattenaufbau begünstigt die Stromtragfähigkeit und die Entwärmung dieser Leiterbahnen.

Auf der Basis jahrelanger Erfahrung in der Konzeptionierung von Hochstromleiterplatten hat Häusermann einen Kalkulator entwickelt, der bei der Dimensionierung von Hochstromleiterbahnen unterstützt. Mit wenigen Eingaben, etwa Stromstärke und Temperaturen, liefert der Kalkulator die minimale Leiterbreite sowohl für HSMtec als auch für 70 und 105 µm.

Richtiges Wärmemanagement gegen Hotspots

Für Leistungsbaugruppen ist eine weitere Eigenschaft der massiven Kupferelemente von Vorteil: Die Kupferprofile sind hervorragende Wärmeleiter und verteilen die Verlustwärme der Leistungsbauteile, die typischerweise heißer werden als die Stromleiter, über die Leiterplattenfläche bzw. rasch durch die Leiterplatte zum Kühlkörper. Das bedeutet einen thermischen Pfad ohne Einschränkung, denn Kupfer leitet Wärme 1000-fach besser als das Basismaterial FR4.

Typisch für Leistungstransistoren sind unter anderem ihre Schaltverluste. Während IGBTs direkt auf einem Kühlkörper montiert sind, verursachen MOSFETs im SMD-Gehäuse punktuelle Hotspots auf der Leiterplatte.

Ein Standard-MOSFET mit 10 mm x 10 mm Grundfläche erzeugt Leistungsverluste von bis zu 20 W und mehr. HSMtec bietet die Möglichkeit, die Wärme direkt vom MOSFET durch die Leiterplatte zum Kühlkörper zu führen. Zur schnellen Wärmeableitung kombiniert man Vias mit einem wärmetechnisch optimierten Lagenaufbau. Über Micro- und Thermovias lassen sich die Leistungsbauteile und Kühlkörper metallisch mit den Kupferprofilen in den Innenlagen der Leiterplatte verbinden.

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