Der eCube-Würfel soll die Wandlungsfähigkeit der Leiterplatten demonstrieren

Der eCube-Würfel soll die Wandlungsfähigkeit der Leiterplatten demonstrierenHäusermann

Emissionsarmes Autofahren ist derzeit die große Herausforderung der Kraftfahrzeugindustrie. Bei allen Effizienzsprüngen, die sich noch aus dem Verbrennungsmotor herausholen lassen, gehört die Zukunft jedoch dem Elektroantrieb. Das Wärme- und Energiemanagement nimmt hier eine zentrale Rolle im Rahmen der intelligenten Organisation des steigenden Energiebedarfes bei gleichzeitig sinkendem Energieangebot im Fahrzeug ein. Als Beispiel sei das sehr geringe Wärmeangebot von Motoren mit Direkteinspritzung und Elektromotoren angeführt, das kompensatorische Maßnahmen zur Sicherstellung der Komfortfunktionen bei allen

Der eCube-Würfel im halb geöffneten Zustand: Gut zu erkennen sind die Kerbfräsungen, die als Sollbiegestelle dienen und die über die Biegekante hinweg geführten massiven Kupferdrähte zur raschen Wärmeableitung

Der eCube-Würfel im halb geöffneten Zustand: Gut zu erkennen sind die Kerbfräsungen, die als Sollbiegestelle dienen und die über die Biegekante hinweg geführten massiven Kupferdrähte zur raschen WärmeableitungHäusermann

Umgebungstemperaturen fordert. Neuartige Motorkonzepte wie Hybrid- und Elektroantriebe sind die treibenden Kräfte im Wandel der Automobilindustrie: Ins Visier rücken kleinere und effizientere Motoren in immer leichter werdenden Fahrzeugen. Sie stellen hohe Anforderungen an die Ingenieurskunst, denn schließlich geht es darum, die zunehmende Komplexität und Integrationsdichte sowohl bei den im Entwicklungsprozess eingesetzten Werkzeugen als auch bei den technischen Lösungen zu berücksichtigen, die schließlich in immer kleineren Bauräumen münden. Daher gilt es, die engen Raumverhältnisse in einem Motorsteuerungsgehäuse bestmöglich auszunutzen.

Der mit HSMtec realisierte eCube-Würfel wurde im Projekt zunächst gefaltet und verlötet um schließlich auf einer weiteren Platine mit BGAs verbunden

Der mit HSMtec realisierte eCube-Würfel wurde im Projekt zunächst gefaltet und verlötet um schließlich auf einer weiteren Platine mit BGAs verbundenHäusermann

Darüber hinaus sollen sich durch geschickt entwickelte Plattformen Material- und Fertigungskosten einsparen lassen. Eine Lösung dafür ist der dreidimensionale Aufbau der Leiterplatte. Hierbei wird die Leiterplatte über flexible Bereiche gebogen. Gleichzeitig bietet dieser Aufbau die Möglichkeit, einzelne Module zu realisieren und eine zukünftige Motorsteuerung modular aufzubauen.

Erst bestücken, dann falten

Zur Validierung solcher Aufbauten starteten Continental Automotive, Häusermann und andere

Mit der Platinentechnik HSMtec realisierte mehrdimensionale Leiterplatten ermöglichen Lösungen, die bislang unmöglich schienen und gleichzeitig bestmögliche Raumausnutzung bieten

Mit der Platinentechnik HSMtec realisierte mehrdimensionale Leiterplatten ermöglichen Lösungen, die bislang unmöglich schienen und gleichzeitig bestmögliche Raumausnutzung bietenHäusermann

Forschungspartner das Projekt EMC-CubusLay mit dem Ziel, eine dreidimensionale würfel- oder quaderförmige Leiterplatte zu entwickeln, die auf einem vorhandenen Continental-Standardleiterplattenlayout für eine Motorsteuerung basiert. Gleichwohl sollte es auch weiterhin möglich sein, die Bauteile und Komponenten einer elektronischen Baugruppe auf einer Bestückungslinie mit dem vorhandenen Bestückungsequipment zu bestücken. Erst anschließend sollte die bestückte Leiterplatte an den definierten Knickkanten gefaltet werden. Die hierbei zusammengefügten Stoßkanten werden danach elektrisch und mechanisch verbunden. Nach dem Verbinden der Kanten wurde in einem Platzierungsprozess der Quader auf der Basisplatte positioniert und sowohl elektrisch als auch mechanisch zusammengefügt. Die Verbindung zur Basisplatine erfolgt über einen Aufbau, der einem Ball-Grid-Array-ähnelt.

Mehrdimensionaler Platinenaufbau

Eine der größten Herausforderungen in diesem Projekt waren die Knick- und Stoßkanten, vor allem in Anbetracht des mechanischen und elektrischen Verhaltens. Zwar gibt es etablierte Verfahren wie Starrflex oder Tiefenfräsung, jedoch besticht HSMtec durch ihre mehrdimensionalen Konstruktionsmöglichkeiten.

 Bild 1: Weil sich die Ansteuerungselektronik nebst LED auf einer Platine unterbringen lässt, schrumpft die benötigte Leiterplattenfläche.

Bild 1: Weil sich die Ansteuerungselektronik nebst LED auf einer Platine unterbringen lässt, schrumpft die benötigte Leiterplattenfläche.Häusermann

Im Gegensatz zu den anderen Aufbauten lassen sich mit HSMtec sehr enge Radien biegen, welche die nötigen hohen Ströme über die Biegekante hinweg führen. Die derzeit auf dem Markt befindlichen Verfahren und Tools sind dabei auf flächige Leiterplatten ausgelegt. Daher sind der Entwurf und die Validierung von gefalteten Leiterplatten mit den gegebenen Werkzeugen sehr aufwendig. 3D-Baugruppen sind auch in anderer Hinsicht interessant, etwa wenn es darum geht, Semiflex-Aufbauten oder Leiterplattenverbindungen über Stecker zu ersetzen. 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 Kabel-, Steck- oder sonstigen mechanischen Verbindungen signifikant, was wiederum nicht nur die Zuverlässigkeit der Anwendung sondern auch deren Lebensdauer erhöht.

Kerbfräsungen an den Sollbiegestellen sorgen dafür, dass sich einzelne Segmente durch beliebige Einstellung des Neigungswinkels in die gewünschte Ausrichtung bringen lassen. Bei der eCube genannten Würfelkonstruktion erfolgt durch das Verlegen von Runddrähten unter

Bild 2: Die spezifische Wärmeleitfähigkeit unterschiedlicher Materialien.

Bild 2: Die spezifische Wärmeleitfähigkeit unterschiedlicher Materialien.Häusermann

der ersten Lage (Außenlage) eine elektrische Verbindung zwischen zwei oder mehreren Schaltungseinheiten. Dabei reicht der Biegeradius bis zu 90 Grad, und sogar leichte Justierbewegungen für die Endmontage sind möglich. Die flexibel ausrichtbaren Platinensegmente erweisen sich als sehr stabil, so dass sich der Neigungswinkel auch bei starken Vibrationen nicht ändert. Zudem ist es möglich, die Biegekante je nach Anwendungsfall nach der Biegung im Einbauzustand gegen Umwelteinflüsse zu schützen.

Effizientes Wärmemanagment

Die nach DIN EN 60068-2-14 und JEDEC A 101-A qualifizierte sowie für Luftfahrt und Automotive auditierte Leiterplattentechnik HSMtec geht selektiv vor: Nur dort, wo tatsächlich hohe Ströme durch die Leiterplatte fließen sollen, erfolgt eine Integration des massiven Kupfers in die Leiterplatte – und zwar entweder als Profil oder in Drahtform. Derzeit stehen 500 µm hohe Profile mit Breiten von 2,0 mm bis 12 mm in variabler Länge zur Verfügung, während sich bei Drähten der Durchmesser von 500 µm etabliert hat. Die 500 µm dicken Kupferelemente werden mittels Ultraschallverbindungstechnik stoffschlüssig mit den geätzten Leiterbildern verbunden. Dies ist in jeder beliebigen Lage eines auf FR4 basierenden Multilayers möglich. HSMtec ermöglicht es somit, hohe Ströme und die Hitzeentwicklung zügig auf zulässige Partial- und Systemtemperaturen zu drosseln. Die integrierten Kupferelemente stemmen Ströme von bis zu 500 A.

Dadurch lassen sich die häufigsten Ausfallursachen elektronischer Systeme leicht eliminieren.

Durch Temperatur, Vibrationen und Feuchtigkeit bedingte Ausfälle sind (in dieser Reihenfolge) jeweils eine echte Herausforderung für das Leiterplattendesign, weil sie die Umsetzung eines ausreichenden Wärmetransportes durch Wärmeableitung erforderlich machen.

Auch die immer weiter steigenden I/O-Zahlen und immer kleiner werdenden Pitches von digitalen ICs sind treibende Entwicklungskräfte im Bereich der Leiterplattentechnik. Jedoch hat die Entwicklung von Leiterplatten-Technologien, welche die Realisierung hoher Ströme und effektiver Entwärmungskonzepte ermöglichen, in vielen Phasen in Einbahnstraßen geführt. Es haben sich zwar einige Technologien durchgesetzt, die in elektronischen Baugruppen Ströme im hohen zweistelligen und mittleren dreistelligen Bereich auffangen konnten, aber dennoch konnten die konventionellen Lösungen die technischen Anforderungen meist nur teilweise erfüllen. Ein wesentliches Manko der meisten dieser Technologien sind bislang die sehr hohen Realisierungskosten.

Bild 3: Den Anforderungen für Hochstrom und Wärmemanagement entsprechend lassen sich massive Kupferelemente als Profile oder Drähte in die Leiterplatte integrieren.

Bild 3: Den Anforderungen für Hochstrom und Wärmemanagement entsprechend lassen sich massive Kupferelemente als Profile oder Drähte in die Leiterplatte integrieren.Häusermann

Massive Kupferelemente als Basis

HSMtec basiert jedoch auf massiven Kupferelementen. Ein Blick auf die spezifische Wärmeleitfähigkeit zeigt die Bedeutung des durchgängig metallischen Pfades von der Quelle bis zur Senke. Kupfer leitet Wärme 1000-fach besser als FR4. Durch die intelligente Kombination von integrierten Kupferprofilen mit Leiterplattentechnologien wie Micro- und Thermovias ist es möglich, eine direkte metallische Ankontaktierung der Lötflächen von Bauteilen 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.

Ein Praxisbeispiel zeigt dies anschaulich: Auf einer Fläche von 10 mm x 10 mm ist es möglich, mehr als 400 DK-Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,25 mm zu platzieren, womit die Fläche dann zu 10 % aus Kupfer besteht. Die effektive Wärmeleitfähigkeit einer solchen FR4-Fläche erhöht sich mit dieser Designmaßnahme auf 30 W/m·K. Damit ist diese Konstruktion hundertmal besser wärmeleitend als FR4 und noch zehnmal besser leitend als die besten Wärmeleitsubstrate.

Kosten sparen

Was im ersten Moment aufwendiger erscheint, nämlich eine mehrdimensionale Leiterplattenkonstruktion auf die eigentliche Motorsteuerungs-Platine zu montieren, ist bei näherer Betrachtung effizient und wirtschaftlich, denn die mehrdimensionale Konstruktion ermöglicht individuelle Anpassungen der vielfältigen Kundenanforderungen – und das beim gängigen Fertigungsprozess, der keinerlei zusätzlichen Aufwand erfordert, weder bei der Leiterplatte noch bei der elektronischen Baugruppenfertigung. Von Bedeutung ist dabei, dass die Biegung an den Kerbfräsungen erst nach der Bauteil-Bestückung erfolgt.

Gut zu sehen sind die als Profile und Drähte ausgebildeten massiven Kupferelemente, die auf FR4-Basismaterial mittels Ultraschallverbindungstechnik aufgebracht wurden

Gut zu sehen sind die als Profile und Drähte ausgebildeten massiven Kupferelemente, die auf FR4-Basismaterial mittels Ultraschallverbindungstechnik aufgebracht wurdenHäusermann

Dabei entspricht das Schaltungslayout den üblichen Leiterplattenlayouts mit den gängigen Design-Regeln, weil HSMtec mit Standard-Layoutdaten für die Leiterplatte auskommt. Das Team im Competence Center HSMtec unterstützt mit Designvorschlägen, Layoutberatung oder Layouterstellung für Leiterplatten mit Hochstrom- und Entwärmungsanforderungen. Nach vielen erfolgreich realisierten Projekten ist das Team in der Lage, die Berechnung und Simulation der Strombelastbarkeit sowie der thermischen Widerstände für unterschiedliche Layout-Geometrien genauso durchzuführen wie thermographische Messungen. Im Testlabor, das mit mehreren Stromgeneratoren und einer Wärmebildkamera ausgestattet ist, erfolgen Simulationen bezüglich Stromtragfähigkeit und Erwärmung mit bis zu 700 A.

Die Verbindung des „eCube“ zum Standard-FR4-Motherboard der Motorsteuerung erfolgt über einen Ball-Grid-Array-Aufbau. Somit dient die mehrdimesionale Leiterplattenkonstruktion als Modul, das sich – in gewisser Weise standardisiert – flexibel bestücken, respektive anpassen, lässt und damit zur gewünschten Kostenreduktion in der Fertigung bei entsprechender Materialstraffung führt. Außerdem ermöglicht HSMtec die effiziente Nutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums. Weil die Herstellung in einem Standardprozess erfolgt, können die Nutzer Material- und Fertigungskosten sparen, während gleichzeitig die Zuverlässigkeit der elektronischen Baugruppen steigt. Der eigentliche Beschaffungsprozess unterscheidet sich nicht von jenem einer herkömmlichen Leiterplatte. Durch die Standard-Layouts und den bereits erwähnten Verzicht auf mechanische Verbindungskomponenten lässt sich die Materialpalette ordentlich straffen.

Die Ergebnisse des bereits abgeschlossenen Projekts befinden sich bei Conti im Vorentwicklungsstadium und sollen in etwa fünf Jahren in die Produktion einfließen, wobei die Platinentechnik HSMtec zum Einsatz kommen wird: Mit dieser mehrdimensionalen Konstruktion verspricht sich Conti, künftig schneller und effizienter auf individuelle Kundenanforderungen reagieren zu können.

Kfz-Anforderungen erfüllen

Der Automotive-Bereich stellt hohe Zuverlässigkeitsanforderungen an die Leiterplatten. Die sich verändernden und rigider werdenden gesetzlichen Regelungen, wie etwa die Angabe einer Bandbreite des Zyklusverbrauches für den nordamerikanischen Markt, die 90 % aller Kunden abdecken muss, aber auch gestiegenes Ressourcen- und Umweltbewusstsein auf Kunden- und Herstellerseite führen zu neuartigen Lösungsansätzen bei der Entwicklung der Motor- und Aggregatekühlung sowie bei der Nutzung von Abwärme. Daneben müssen auch die Aspekte der elektromagnetischen und thermischen Emission, sowie der mechanischen Belastung beim Entwurf berücksichtigt werden. 3D-Leiterplatten ermöglichen Lösungen, die bislang unmöglich schienen und gleichzeitig die bestmögliche Raumausnutzung bieten.

eCube – Platinenwürfel und mehr

Das Projekt EMC-CubusLay ist verfahrensorientiert und zielt auf die Lösung technischer und wirtschaftlicher Anforderungen beim Entwurf von Steuerungselektronik im Automotive- und Consumer-Bereich. Bei diesen Anwendungsfeldern werden höchste Anforderungen an die Platzausnutzung sowie an die Einsparung von Material- und Fertigungskosten gestellt. Daraus entstand die Idee, beim Schaltungsentwurf die dritte Dimension auszunutzen, indem die Leiterplatten (HDI-Substrate) zu Quadern gefaltet werden.
Durch Untersuchung des elektromagnetischen und thermischen Verhaltens gefalteter Leiterplatten ergeben sich technologische Design-Regeln, welche die speziellen Eigenschaften dieser neuartigen Aufbau- und Verbindungstechnik berücksichtigen. Kritische Effekte sind beispielsweise Störungen in den elektrischen Eigenschaften durch Leitungs-Diskontinuitäten an den Knickkanten in Abhängigkeit von Fläche und Bestückung der PCB-Flächen.
Gleichzeitig stellen die angestrebten Projektergebnisse eine Ergänzung handelsüblicher Leiterplatten-Tools dar. Somit sind nach Projektabschluss Wünsche der genannten Industriezweige hinsichtlich einer Produktentwicklung abzusehen. Da in dem Projekt bei KMUs das weit verbreitete Layoutprogramm „Eagle“ zum Einsatz kommen soll, ist der zu entwickelnde Demonstrator ElCubusLay für einen breiten Anwenderkreis interessant. Andererseits sind die Ergebnisse jedoch auch für Nutzer anderer Leiterplatten-Tools übertragbar. Das wichtigste wirtschaftliche Ergebnis ist die Tatsache, dass mit stärkerer Nutzung von 3D-Entwürfen eine größere Miniaturisierung erreicht wird.
Das Projekt wurde im Rahmen der IGF der AiF durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie unter dem Kennzeichen 16614 BG gefördert und Ende Juni 2012 erfolgreich beendet. Unterstützt wurde  das Projekt unter anderem durch das Fraunhofer Institut für Elektronische Nanosysteme Advanced System Engineering, den Bereich Graphische Ingenieursysteme der Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.V. (GFaI) und das der Universität Paderborn angegliederte Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik, Fachgebiet Sensorik.

Auf einen Blick

Mehrdimensionale Designfreiheit
HSMtec erlaubt durch Kerbfräsungen eine mehrdimensionale Platinenkonstruktion, was Platz und Kosten spart. Die in die Leiterplatte integrierten massiven Kupferelemente in Form von Drähten und Profilen führen hohe Ströme und Hitze über die Biegekante hinweg. Wichtig hierbei ist, dass die übrige Leiterplattentechnik unberührt bleibt und dass keinerlei zusätzliche Software-Tools für das Design notwendig sind.