Häusermann und Weidmüller haben eine enge Zusammenarbeit bei der Spezifikation von Anschlusslösungen für die Leistungselektronik vereinbart.

Häusermann und Weidmüller haben eine enge Zusammenarbeit bei der Spezifikation von Anschlusslösungen für die Leistungselektronik vereinbart. (Bild: Häusermann/Weidmüller)

| von Stefan Hörth, René Arntzen

Etwa 30 Prozent der Entwicklungskapazität sind durch Änderungen gebunden. Diese entstehen etwa zur Hälfte nicht durch technische Veränderungen, sondern durch Missverständnisse, Desinformation, falsche Einschätzungen und Unwissen. In diesem sich stetig verändernden Umfeld müssen alle beteiligten Personen und Hersteller während des Produktentstehungsprozesses möglichst optimal eingebunden sein, um funktionelle und kostengünstige Baugruppen in einer möglichst reibungslosen Produktion zu erzeugen.

Ziel ist es, dem Anwender vom Lastenheft über Entwicklung und Design bis hin zur Zulassung und Serie beratend zur Seite zu stehen und die Integration von Hochstromleiterplatte und Anschlusstechnik zu optimieren.

Ziel ist es, dem Anwender vom Lastenheft über Entwicklung und Design bis hin zur Zulassung und Serie beratend zur Seite zu stehen und die Integration von Hochstromleiterplatte und Anschlusstechnik zu optimieren. Häusermann/Weidmüller

Lösungspakete aus einer Hand: Der Entwickler profitiert vom umfangreichen Know-how beider Partner, die nahtlos im Hintergrund interagieren.

Lösungspakete aus einer Hand: Der Entwickler profitiert vom umfangreichen Know-how beider Partner, die nahtlos im Hintergrund interagieren. Häusermann/Weidmüller

Die Thermographie zeigt es deutlich: Integrierte Kupferelemente der Leiterplattechntechnik HSMtec sorgen für ein effizientes Wärmemanagement und eine optimiert ausgelegte Anschlusstechnik für einen sicheren Anschluss.

Die Thermographie zeigt es deutlich: Integrierte Kupferelemente der Leiterplattechntechnik HSMtec sorgen für ein effizientes Wärmemanagement und eine optimiert ausgelegte Anschlusstechnik für einen sicheren Anschluss. Häusermann/Weidmüller

Um dem Entwickler bei diesen Herausforderungen unterstützend zur Seite zu stehen sind Häusermann und Weidmüller eine Kompetenzpartnerschaft eingegangen. Über den gesamten Lebenszyklus vom Baugruppendesign, der Fertigung und Verarbeitung bis zum Endprodukt kann dabei eine vereinfachte Kommunikation zwischen den einzelnen Partnern und eine optimierte technische Gesamtlösung sichergestellt werden. Im besonderen Fokus steht dabei eine effiziente Beratung, die auf Häusermanns Leiterplattentechnik HSMtec und Weidmüllers Geräteanschlusstechnik Omnimate Power basiert.

Fertigungskosten senken

Die Geräteanschluss- und Gehäusetechnologie Omnimate von Weidmüller umfasst ein abgestimmtes Produktportfolio namens Omnimate Signal, Power, Housings und Services. Ein weltweiter Design-In-Support verbindet Produkte und Services zum Ergebnis: Sobald Kunden für ihre Applikationen einen leistungsstarken Anschluss benötigen, sie möglichst viele unterschiedliche Signale auf kleinstem Raum zuverlässig übertragen wollen oder für ihre Elektronik eine optimale Verpackung suchen und sie zudem schnelle, individuelle und kompetente Unterstützung wünschen, ist Omnimate erste Wahl. Zur Wahl steht ein umfassendes Produktsortiment mit kompakten Leiterplattenklemmen , -steckverbindern und Elektronikgehäusen. Anwender realisieren applikationsorientierte Design-In-Prozesse – dank leistungsstarker Anschlusstechnologien für den Wellenlötprozess sowie für das THR- und SMT-Reflow-Lötverfahren – in einer optimalen Produktivität und Kosteneffizienz.

Zusätzliche Fertigungsabläufe bei der Leiterplattenbestückung sind genauso überflüssig wie ein anschließendes langwieriges und kompliziertes Verdrahten der Anschlusstechnik. THR- Leiterplattenklemmen und Stiftleisten vereinfachen den Bestückungs- und Verarbeitungsprozess. Die hochtemperaturbeständigen Anschlusskomponenten in Tape-on-Reel-Verpackung sind für den automatischen Bestückungs- und Lötprozess ausgelegt und ermöglichen somit eine hundertprozentige Durchgängigkeit in der SMT-Fertigung.

Der verwendete Hochleistungskunststoff LCP (Liquid Crystal Polymer) garantiert eine hohe Dimensionsstabilität und Rastertreue im Bestückungsprozess. Gleichzeitig ist das Ausdehnungsverhalten ähnlich den üblichen Leiterplattenmaterialien wie FR4, was ein Durchbiegen hochpoliger Stiftleisten nach dem Verlöten verhindert. Neben den 3,2 mm – 3,5 mm langen Lötstiften gibt es auch kurze Stifte mit 1,5 mm Länge. Damit ist auch eine doppelseitige Bestückung von Leiterplatten (>1,5 mm Stärke) möglich. Durch den Entfall des Lötmeniskus‘ auf der Unterseite der Leiterplatte wird das Lotpastenvolumen reduziert – ohne Einbußen bei der Haltekraft. Zusätzlich nimmt der kurze Lötstift aufgrund seiner geringeren Masse die Wärme optimal an und kann so den Lötprozess beschleunigen. Die Omnimate-Signal-Leiterplattenklemme LSF-SMD in „Push In“-Direktsteck-Technik vereint Anschlusseffizienz mit Designfreiheit und ermöglicht die vollautomatische SMT-Bestückung.

HSMtec für zuverlässiges Wärmemanagement

Die Vorteile für den Entwickler liegen auf der Hand: Vom Lastenheft über Entwicklung und Design bis hin zur Zulassung und Serie werden mit der Integration von Hochstrom-Leiterplatte und -Anschlusstechnik der Projektaufwand sowie die Time-to-Market erheblich reduziert. Somit kann der Entwickler vom umfangreichen Know-how beider Partner profitieren. Wesentlicher Vorteil dieser Kompetenzpartnerschaft ist auch, dass über das gesamte Projekt ein zentraler Ansprechpartner zur Verfügung steht. Im Hintergrund interagieren beide Unternehmen nahtlos, sodass sich Fragestellungen im Abstimmungsprozess wechselseitig und ohne Zeitverlust auch auf Basis zahlreicher Referenzdesigns beantworten lassen.

So unterstützt das Häusermann-Team mit Designvorschlägen, Layoutberatung oder Layouterstellung für Leiterplatten mit Hochstrom- und Entwärmungs-Anforderungen. Auf Basis der Erfahrung aus zahlreichen realisierten Projekten werden Berechnung und Dimensionierung von Strombelastbarkeit und thermischen Widerständen unterschiedlichster Layoutgeometrien sowie thermografische Messungen durchgeführt. Mit der Unterstützung von Weidmüller lassen sich die zur Anwendung passenden Anschlusslösungen finden.

 

Auf der nächsten Seite lesen Sie Praxisbeispiele über Referenzdesigns für Hochstromanwendungen.

Aus der Praxis für die Praxis

Ein typisches Beispiel etwa sind intelligente Leistungsanwendungen wie Motorsteuerungen, Wechselrichter oder Smartmeter. Die digitalen Stromzähler speichern in regelmäßigen Intervallen die Verbrauchswerte in Echtzeit und verfügen über die Möglichkeit der Fernauslesung. Zudem sollen sie den Ausbau von Smart Grids zügig vorantreiben – intelligente Stromnetze, die Stromspitzen vermeiden und Ökostrom wie Windkraft und Solarenergie passgenau in die Stromversorgung mit einbeziehen.

Heißlaufen verhindern: In die Leiterplatte integrierte Kupferelemente (orange) wurden unter jeden Pol der vierpoligen Klemme positioniert, wodurch eine rasche Abwärme gewährleistet ist.

Heißlaufen verhindern: In die Leiterplatte integrierte Kupferelemente (orange) wurden unter jeden Pol der vierpoligen Klemme positioniert, wodurch eine rasche Abwärme gewährleistet ist. Häusermann/Weidmüller

Clevere Leiterplattentechnik: Den Anforderungen für Hochstrom und Wärmemanagement entsprechend, lassen sich massive Kupferelemente als Profile oder Drähte in die Leiterplatte integrieren.

Clevere Leiterplattentechnik: Den Anforderungen für Hochstrom und Wärmemanagement entsprechend, lassen sich massive Kupferelemente als Profile oder Drähte in die Leiterplatte integrieren. Häusermann

Weil sich die Ansteuerungselektronik und Leistungsbauteile auf einer Platine unterbringen lassen, schrumpfen die benötigte Leiterplattenfläche und die Kosten beträchtlich.

Weil sich die Ansteuerungselektronik und Leistungsbauteile auf einer Platine unterbringen lassen, schrumpfen die benötigte Leiterplattenfläche und die Kosten beträchtlich. Häusermann

Das breite, applikationsgerechte Omnimate-Produktspektrum umfasst Leiterplatten-Klemmen, Leiterplatten- Steckverbinder sowie Elektronikgehäuse für industrielle Anwendungen mit den Schwerpunkten Signalverarbeitung und Leistungselektronik.

Das breite, applikationsgerechte Omnimate-Produktspektrum umfasst Leiterplatten-Klemmen, Leiterplatten- Steckverbinder sowie Elektronikgehäuse für industrielle Anwendungen mit den Schwerpunkten Signalverarbeitung und Leistungselektronik. Weidmüller

Besonders gefordert ist hierbei die Leiterplattentechnik, welche Ströme bis 150 A mit intelligenter Steuer- und Kommunikationselektronik vereinen muss. HSMtec ermöglicht dabei die einfache Integration von großen Querschnitten in Form von Kupferprofilen in Standard-Multilayer-Leiterplatten, wodurch auf Zusatzbauelemente wie Stromschienen oder Stanzgitter verzichtet und somit Kosten und Bauraum gespart werden können. Für FR4-Leiterplatten ist dies ohne größeren Mehraufwand oder zusätzliche Kosten möglich – das spart Platz und Geld. Möglich wird dies durch Kupferelemente, die auf konventionellem FR4-Basismaterial gearbeitet werden.

Diese Kupferelemente führen nicht nur zügig den Strom von bis zu 400 A, sondern sorgen gleichzeitig auch für ein effizientes Wärmemanagement. Durch die intelligente Kombination von integrierten Kupferprofilen mit modernen Leiterplattentechnologien wie Micro- und Thermovias ist es möglich, eine direkte metallische Ankontaktierung der Lötflächen (Bauteile, Kühlkörper) an die Profile zu realisieren, wodurch sich Engpässe im thermischen Pfad vermeiden lassen. Ein wärmetechnisch optimierter Lagenaufbau sorgt zusätzlich für rasche Wärmespreizung und unterstützt somit das gesamte thermische Konzept.

Die Leiterplatten-Anschlusskomponenten aus dem Programm Omnimate Power bieten dabei eine gute Ergänzung zur Leiterplatte. Die Leiterplattenklemmen im Rastermaß 6.35 mm und mit einem Leistungsspektrum von bis zu 150 A im Rastermaß 15.00 mm ermöglichen den uneingeschränkten Einsatz von bis zu 600 V nach der amerikanischen Zulassung UL 1059. Referenzdesigns für die zugehörigen HSMtec Hochstrom-Leiterplatten von Häusermann ermöglichen ein rasches und unkompliziertes Umsetzen des Layouts für projektspezifische Anforderungen unterschiedlichster Leistungsklassen und Anschlusstechniken.

Referenzdesigns für Hochstromanwendungen

Ein Beispiel zeigt dies deutlich: die Leiterplattenklemme LUP 10.16 für einen maximalen Nennstrom von bis zu 76 A (IEC) und 64 A (UL) der Weidmüller-Serie Omnimate Power. Diese Leiterplatten-Anschlussklemmen im Rastermaß von 10.16 mm können bis zu 1000 V (IEC) und 300 V (UL) bei einem maximalen Klemmbereich von 16 mm²/AWG 6 aufnehmen. Um die Zuverlässigkeit der elektronischen Baugruppe sicherzustellen, ist ein effizientes Wärmemanagement unabdingbar. Mit der Leiterplattentechnik HSMtec ist dies möglich, da massive Kupferelemente durch ihre großen Querschnitte für eine rasche Wärmeableitung sorgen.

Ein weiterer Vorteil ist, dass diese Leiterplattentechnik es ermöglicht, ein hochleistungsfähiges Wärmemanagement mit komplexer Steuerungselektronik auf der gleichen Leiterplatte unkompliziert miteinander zu kombinieren. Im konkreten Beispiel wurde ein 8 mm breites Kupferprofil in die Innenlage der Platine unter jeden Pol der vierpoligen Klemme integriert. Um die 76 A zu bewältigen, ist ein Leitungsquerschnitt des Kupferprofils von rund 5 mm² nötig, wobei eine Masseinnenlage zur Wärmespreizung zum Einsatz kommt.

Damit ließ sich ein ΔT der Hochstrom-Leiterbahnen von etwa 45 K erreichen. Ohne diese rasche Wärmeableitung durch HSMtec wäre bei einer Kupferinnenlage mit 70 μm Höhe eine Leiterbahnbreite von mehr als 20 mm erforderlich gewesen, um dieselben Ergebnisse zu erzielen. Überdies lässt sich mit einem speziellen Calculator die richtige Dimensionierung von Hochstrom-Leiterplatten ermitteln. Das Referenzdesign zeigt anschaulich, dass sich mit der Kombination von Leiterplatten-Know-how und intelligenter Auswahl der Anschlusstechnik sämtliche Anschlüsse in allen Leistungsklassen einfach, effizient und zuverlässig umsetzen lassen.

 

Intelligente WärmemanagementLösung

Hohe Ströme von bis zu 400 A sicher über das Board zu führen ist eine technologische Herausforderung, da keine lokale Überhitzung durch die hohe Verlustwärme entstehen darf. Häusermann hat hierfür mit HSMtec eine speziell für diese Anwendungen ausgelegte Leiterplattentechnik geschaffen. Es ermöglicht, ein hochleistungsfähiges Wärmemanagement mit komplexer Steuerungselektronik sowie Sensoren auf der gleichen Leiterplatte unkompliziert miteinander zu kombinieren.

 

Stefan Hörth

(Bild: Häusermann)
ist Produktmanager HSMtec von Häusermann

René Arntzen

(Bild: Weidmüller)
ist Produktmanager PCB-Components von Weidmüller Interface

(hw/mrc)

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