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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

Design-Beispiel für das Entwärmen

Ein Design-Beispiel für das Entwärmungskonzept eines TO263-SMD-Gehäuses veranschaulicht Bild 3. Ein 12 mm breites und 0,5 mm hohes Kupferprofil liegt auf einer Leiterbahn, die umlaufend mindestens 1 mm breiter ist als das Kupferprofil in der Innenlage der Leiterplatte. Unterhalb des Headpads des Leistungshalbleiters sind Microvias mit 0,1 mm Durchmesser in einem Raster von 0,5 mm eindesignt.

Bildergalerie

Um das Heatpad herum sind Thermovias mit 0,5 mm Durchmesser im Raster von 1,0 mm angeordnet, die den direkten Kontakt vom Kupferprofil zum Kühlkörper herstellen. Hinzu kommen zusätzlich Blind Vias, die ebenfalls einen Wärmepfad vom Kupferprofil zum Kühlkörper bilden.

Als Beispiel entwärmt diese Design-Maßnahme die MOSFETs im SMD-Gehäuse TO263/ D²PAK-7 in einem EMV-Testgerät für Fahrzeuge. Die Leistungsbaugruppe schaltet als dynamischer Schalter Batteriespannungen von maximal ±60 V/ ±100 A. Spezielle Anforderungen sind symmetrische Schaltflanken RISE/FALL <1 µs/typisch 0,5 µs sowie ein integrierter Überspannungsschutz durch induktives Ab- bzw. Umschalten der Batteriespannungen. Außerdem enthält die Schaltung zum Schutz vor Überspannungen eine TVS-Diode mit 3 kW.

Das EMV-Testgerät wird im Labor bei typischen Umgebungstemperaturen mit maximal 40 °C betrieben. Zulässig ist eine Temperaturdifferenz von maximal 30 K. Der thermische Widerstand beträgt Rth 0,31 K/W. Die Leiterplatte muss die Wärme der MOSFETs gut ableiten, geringe Verluste haben und ein kompaktes Geräte-Design ermöglichen. Die 1,6 mm starke 4-lagige Leiterplatte mit nur 135 mm x 64 mm Kantenlänge erfüllt diese Aufgabe. Die Kupferprofile in den Innenlagen machen dreidimensionale Konstruktionen möglich.

Durch Kerbfräsungen die senkrecht zu den Kupferprofilen verlaufen, lassen sich Segmente der Leiterplatte nach dem Bestücken bis zu 90° biegen (Bild 4). Das massive Kupfer ermöglicht eine selbsttragende dreidimensionale Form, die den Bauraum geschickt ausnutzt und Leistung in Form von Hochstrom und Wärme über die Biegekante transportiert. Typisch und vorteilhaft ist, dass die Leiterplatten als zweidimensionale Leiterplatte layoutet, im Nutzen gefertigt und bestückt werden. Nach dem Bestücken bzw. zur Montage der Baugruppe wird die Leiterplatte in die 3D-Form gebogen.

Diese dreidimensionale Konstruktion ersetzt andere flexible Aufbauten wie Starrflex oder Semiflex und Verbindungen über Stecker. Im einfachsten Fall wird ein Teil der Leiterplatte nach dem Bestücken abgewinkelt und beim Einbau ins Gehäuse in dieser Position fixiert. Dadurch sinkt der Anteil an mechanischen Verbindungen über Kabel und Steckverbinder. Das erhöht nicht nur die Zuverlässigkeit der Baugruppe, sondern auch deren Lebensdauer.

Die dreidimensionale Konstruktion ist prädestiniert für Einmalbiegungen, etwa für Anwendungen, bei denen der biegbare Bereich für den Einbau der Baugruppe in Form gebracht wird. Durch die niedrige Feuchtigkeitsaufnahme im Gegensatz zu Flexfolien entfallen zumeist thermische Vorbehandlungen beim Löten.

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