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Häusermann

Leiterplatten für MOSFETs und andere Leistungsbauteile müssen für hohe Ströme dimensioniert sein und die Verlustwärme schnell abführen. HSMtec ist eine speziell hierfür entwickelte Leiterplattentechnologie der Firma Häusermann, welche im Leistungsteil einer Schaltung massive Kupferelemente in die Leiterplatte integriert. Die 500 µm starken Kupferprofile lassen sich in jeder Lage eines Multilayers mit FR4-Material platzieren und werden in einem Ultraschallschweißverfahren mit den geätzten Leiterbahnen elektrisch und thermisch verbunden. Nach dem Verpressen der Leiterplattenlagen befinden sich die Kupferelemente im Innern der Leiterplatte, was wertvollen Platz auf der Oberfläche schafft.

Die integrierten Kupferelemente übertragen Ströme bis 400 A und drosseln die Hitzeentwicklung zügig auf zulässige Partial- und Systemtemperaturen. Für effizientes Wärmemanagement von Leistungshalbleitern wird HSMtec mit Microvias und Thermovias kombiniert.

Tausendmal bessere Wärmeleitung als FR4

Bild 1: Querschnitt einer HSMtec-Leiterplatte: Kupferprofile verstärken die Leiterbahnen an Stellen mit hoher Strombelastung.

Bild 1: Querschnitt einer HSMtec-Leiterplatte: Kupferprofile verstärken die Leiterbahnen an Stellen mit hoher Strombelastung.Häusermann

Ein Blick auf die spezifische Wärmeleitfähigkeit zeigt die Leistungsfähigkeit von HSMtec und die Bedeutung des durchgängig metallischen Pfades von der Quelle bis zur Senke. Kupfer leitet Wärme tausendfach besser als FR4. Die Kombination von integrierten Kupferprofilen mit Micro- und Thermovias ermöglicht eine direkte Verbindung von Bauteillötflächen und Kühlkörper ohne Engpässe im thermischen Pfad (Bild 1).

Das folgende Beispiel verdeutlicht den Effekt: Auf einer Fläche von 10 mm x 10 mm ist es möglich, mehr als 400 durchkontaktierte Bohrungen mit 0,25 mm Durchmesser so zu platzieren, dass die Fläche zu 10 % aus Kupfer besteht. Mit dieser Designmaßnahme erhöht sich die effektive Wärmeleitfähigkeit dieser FR4-Fläche auf 30 W/m·K. Damit ist diese Konstruktion hundertmal besser wärmeleitend als FR4 und noch zehnmal besser leitend als die besten Wärmeleitsubstrate.

Eckdaten

Moderne Leiterplatten sind mehr als nur mechanischer Träger und Verdrahtung für die Bauteile. Integrierte massive Kupferprofile verstärken Leiterbahnen mit hoher Strombelastung und bieten kombiniert mit Microvias und Thermovias ein effizientes Entwärmungskonzept für Leistungsbauteile. Für das PCB-Design einer Leistungselektronik in HSMtec-Leiterplattentechnologie stellt der östereichische Hersteller Häusermann Anleitungen, Entwicklungstools und Support zur Verfügung.

Leiterbahnverstärkung

Ein wärmetechnisch optimierter Lagenaufbau sorgt zusätzlich für rasche Wärmespreizung und unterstützt das gesamte thermische Konzept. So lässt sich zum Beispiel die Stromtragfähigkeit einer Leiterbahn verdoppeln, wenn zwei Masseinnenlagen darunter liegen, die keine Eigenerwärmung haben.

Kupferprofile in vier verschiedenen Breiten sowie in variablen Längen und ein Kupferdraht mit 0,5 mm Durchmesser bieten große Flexibilität, um individuelle Layouts zu erstellen. Dabei erlaubt HSMtec das Einhalten der notwendigen Spannungsabstände, speziell an den Zuleitungen der einzelnen Leistungsbauteile.

Mit der Einarbeitung zusätzlicher massiver Kupferelemente parallel zu den Hochstromwegen einzelner Lagen geht HSMtec weit über die Wirkung normaler Masselagen in Multilayern hinaus. Möglichst viel und richtig angeordnetes passives Kupfer erhöht die Stromtragfähigkeit von Leiterbahnen und verbessert die Erwärmung.

PCB-Design mit HSMtec in Einzelschritten

Die Platzierung der Hochstromleiterbahnen sollte grundsätzlich vor dem Routing des Standardlayouts erfolgen. Häusermann empfiehlt für den Entwicklungsprozess einer HSMtec-Leiterplatte folgendes Vorgehen:

Bild 2: Auswahlhilfe für die Dimensionierung von Hochstromleitern.

Bild 2: Auswahlhilfe für die Dimensionierung von Hochstromleitern.Häusermann

Definieren Sie die Geometrie (Größe und Kontur) der Leiterplatte und platzieren Sie die Leistungsbauteile so, dass sich daraus kurze und einfache Wege für die Hochstromleiterbahnen ergeben. Es folgt die Festlegung der maximalen Stromstärken (Größenordnung um 100 A) und der Umgebungsbedingungen wie Umgebungstemperatur und maximale Temperaturdifferenz.

Zur Definition des Lagenaufbaus und der Kupferlagen empfiehlt es sich, bevorzugt Masse-Innenlagen und alle freien Flächen auf den Außenlagen mit Kupfer zu fluten. Nun können Sie die erforderlichen Leitungsquerschnitte bezogen auf Umgebungsbedingungen und Lagenaufbau berechnen (Bild 2). Ein Berechnungstool von der Häusermann-Internetseite berechnet die notwendige Breite für Hochstromleiterbahnen auf einer FR4-Platine und stellt im Ergebnis die empfohlene Leiterbahnbreite in HSMtec-Technologie der herkömmlichen Leiterplattentechnik gegenüber.

Bild 3: Prinzip für ein wärmetechnisch optimiertes Design eines TO-263-Gehäuses.  Microvias, Thermovias und integrierte Kupferprofile bilden für Leistungsbauteile und Kühlkörper auf beiden Platinenseiten eine gute thermische Verbindung.

Bild 3: Prinzip für ein wärmetechnisch optimiertes Design eines TO-263-Gehäuses. Microvias, Thermovias und integrierte Kupferprofile bilden für Leistungsbauteile und Kühlkörper auf beiden Platinenseiten eine gute thermische Verbindung.Häusermann

Beim Routing von Hochstromleiterbahnen gilt die Grundregel, dass jede Leiterbahn umlaufend mindestens 1 mm breiter als die Profilbreite sein muss. Beispielsweise braucht ein 8 mm breites Kupferprofil eine mindestens 10 mm breite Leiterbahn, zwei nebeneinander liegende 4-mm-Profile mindestens 12 mm. Bei der Auswahl der Kupferprofile ist Ihnen das Applikationsteam von Häusermann gern behilflich. Die Anordnung der Kupferelemente kann in einem Hilfs-Layer erfolgen.

Sind die Leistungsbereiche der Platine definiert, können Sie nun das restliche Layout mit Kleinsignalen wie Signalaufbereitung und Steuerung routen.

Abschließend müssen Sie zur thermischen Kopplung von Kupferprofilen und Leiterbahnen Durchkontaktierungen, Thermovias und Microvias im Wärmepfad der Leistungsbauteile platzieren.

In den Heatpads werden direkt unterm Leistungsbauteil Microvias mit 0,1 mm Durchmesser in einem Raster von 0,5 mm platziert, welche das darunter liegende Kupferprofil kontaktieren. Platzieren Sie Thermovias mit 0,5 mm Durchmesser beispielsweise in einem Raster von 1,0 mm rund um jedes Heatpad.

Design Rules für die Verwendung von Kupferelementen

  • Die Standarddicke für HSMtec-Leiterplatten liegt zwischen 0,8 und 3,2 mm bei maximal zwölf Lagen und maximal drei Lagen für größere Kupferquerschnitte und Ströme bis 400 A.
  • Grundregel für die Stromtragfähigkeit: Für jedes Kupferprofil einer Breite muss die Leiterbahn umlaufend 1 mm breiter sein.
  • Die Kupferprofile dürfen nicht auf benachbarte Lagen platziert werden.
  • Auf der gegenüberliegenden FR4-Kernseite des Kupferelementes ist eine potenzialunabhängige Kupferauflage von mindestens der gleichen Größe vorzusehen, die zur eindeutigen Auflage für das Ultraschallschweißen dient.
  • Aus ökonomischen Gründen gilt es, die Hochstromleiterbahnen direkt und gerade zu führen. Abzweigungen in den Kupferprofilen lassen sich über geätzte Flächen realisieren.
  • Kupferprofile gibt es in vier Breiten: 2, 4, 8 und 12 mm mit variabler Länge, die jedoch nicht unter 15 mm liegen sollte. Kupferdrähte gibt es mit 0,5 mm Durchmesser und einer Länge von mindestens 10 mm.
  • Der Abstand zwischen den Profilen sollte mindestens 2,2 mm betragen.
  • Abstand von Drahtmitte zu Drahtmitte: bei parallel nicht abgewinkelten Drahtzügen 1,5 mm, bei abgewinkelten Drahtzügen 2 mm.
  • Der Abstand zwischen Draht und Profil sollte 2 mm nicht unterschreiten.
  • Lagenwechsel von Kupferprofilen und -runddrähten von Innenlagen zu Außenlagen (und wieder zurück) sind problemlos mit Durchkontaktierungen möglich.
  • Die Hochstromleiterplatten eignen sich für alle gängigen Anschlüsse wie Schraub-, Druck-, Einpress- oder Lötkontakte.
  • Mit Microvias und Thermovias lassen sich die Kupferprofile mit einem Kühlkörper verbinden. Hierbei sind Leiterbreiten, Restringe und Aspect-Ratio einzuhalten, so dass eine genügend große Menge Kupfer abgeschieden wird. In der Bohrung muss die Kupferschicht etwa 20 µm dick sein.
  • Da die Leistungsbauteile heißer werden als der Hochstromleiter, braucht es ein wärmetechnisch optimiertes Design. Ein Design-Beispiel für das Entwärmungskonzept des SMD-Gehäuses TO-263 veranschaulicht die Grafik (Bild 3). Ein 12 mm breites und 0,5 mm hohes Kupferprofil liegt auf einer Leiterbahn, die umlaufend mindestes 1 mm breiter ist als das Kupferprofil in der Innenlage der Leiterplatte. Unterhalb des Headpad des Leistungshalbleiters sind Microvias mit 0,1 mm Durchmesser in einem Raster von 0,5 mm platziert. Um das Heatpad sind Thermovias mit 0,5 mm Durchmesser im Raster von 1 mm angeordnet, welche Kupferprofil und Kühlkörper thermisch verbinden. Hinzu kommen zusätzlich Blind-Vias, die ebenfalls einen Wärmepfad vom Kupferprofil zum Kühlkörper bilden.

Anwendungsbeispiel für eine HMStec-Leiterplatte

Die Anforderungen an ein kompaktes EMV-Testgerät des Schweizer Unternehmens Teseq lauten: Stromtragfähigkeit bis 100 A und schnelle Wärmeverteilung der Leistungsbauteile über die Leiterplatte auf minimaler Leiterplattenfläche (Bild 4).

Die Baugruppe mit der HSMtec-Leiterplatte schaltet Batteriespannungen von maximal ±60 V/ ±100 A. Spezielle Anforderungen sind symmetrische Schaltflanken RISE/FALL <1 µs/ typ. 0,5 µs sowie ein integrierter Überspannungsschutz durch induktives Ab- beziehungsweise Umschalten der Batteriespannungen. Die Leiterplatte muss die Wärme der MOSFETs gut ableiten, selber geringe Wärmeverluste aufweisen sowie ein kompaktes Gerätedesign ermöglichen. Das EMV-Testgerät wird im Labor bei typischen Umgebungstemperaturen, maximal 40 °C, betrieben. Die maximal zulässige Temperaturdifferenz beträgt 30 K und der thermische Widerstand Rth 0,31 K/W.

Bild 4: In einer vierlagigen HSMtec-Leiterplatte für ein kompaktes EMV-Testgerät sind sieben Kupferprofile mit jeweils 12 mm Breite integriert.

Bild 4: In einer vierlagigen HSMtec-Leiterplatte für ein kompaktes EMV-Testgerät sind sieben Kupferprofile mit jeweils 12 mm Breite integriert.Häusermann

HSMtec erfüllt in der Teseq-Baugruppe zwei Funktionen: zum einen die Stromtragfähigkeit der Leiter bis 100 A und zugleich das Entwärmen der MOSFETs mit Schaltleistungen von 100 W. Außerdem enthält die Schaltung zum Schutz vor Überspannungen eine TVS-Diode mit 3 kW (10 x 1000 µs) x (12 parallel).

Das Ergebnis ist eine vierlagige und 1,6 mm dicke Leiterplatte mit einer Fläche von 135 mm x 64 mm. Sie besteht aus dem Basismaterial FR4 Standard, hat eine Lötoberfläche aus Nickel/Gold und enthält auf einer Innenlage 12 mm breite Kupferprofile.

Kritisch für die Entwärmung sind die SMD-Bauformen TO-263 und D²PAK-7 der MOSFETs. Daher wurden Thermovias außerhalb der Transistoren und Sacklöcher unter den SMD-Anschlüssen platziert.

Sieben Kupferprofile und systematisch angeordnete Vias bilden das Entwärmungskonzept. Die Kupferprofile sind unter den Anschluss-Pads der MOSFETs platziert. Für den Stromfluss und eine zügige Wärmeableitung befinden sich Microvias in den SMD-Anschlüssen der Transistoren, Thermovias um die Anschlüsse sowie Sacklöcher auf der Rückseite der MOSFET-Pads.

Applikationsingenieure von Häusermann haben Teseq bei der Entwicklung dieser Anwendung mit Vorschlägen für die HSMtec-Leiterplattenkonstruktion unterstützt.