HSMtec als innovative Basis moderner Leistungselektronik

HSMtec als innovative Basis moderner Leistungselektronik
HSMtec, die von Haeusermann entwickelte und mehrfach patentierte Technologie für
Hochstrom- und Wärmemanagement in Leiterplatten sowie selbsttragende und
mehrdimensionale Konstruktionen, beweist vor allem im Bereich der Leistungselektronik
technologische Überlegenheit. Speziell für moderne Produkte, die eine Kombination aus
optimiertem thermischen Management, hohen Strömen sowie mechanischer Flexibilität
fordern, stellen HSMtec-Leiterplatten die ideale Basis dar.
HSMtec nimmt eine Schlüsselrolle ein, wenn es darum geht, hohe Ströme und gezieltes
Wärmemanagement innerhalb der Leiterplatte mit state-of-the-art Leiterplatten-
technologien sowie höchsten Anforderungen an die Leiterplattenstruktur und den Aufbau
(min. Strukturbreite, Lagenanzahl, Microvias, etc.) zu kombinieren. In HSMtec-
Leiterplatten werden mittels Ultraschallverbindungstechnik externe Kupferteile in Form von
Drähten oder Profilen mit dem Basiskupfer der Außen- und/oder Innenlagen stoffschlüssig
verbunden.
Abbildung 1: Ultraschallverbindungstechnik
Dies erfolgt selektiv an jenen Stellen der Leiterplatte, an denen hohe Ströme fließen,
Wärme abgeführt und/oder die Leiterplatte eventuell gebogen werden soll. Diese partielle
HSMtec Seite 1 / 8 Datum: August 2010

Integration hoher Querschnitte in das Board ermöglicht sowohl die Kombination von
Leistungs- und Steuerelektronik in einer einzigen Platine, als auch die Erzeugung eines
durchgängig metallischen thermischen Pfades vom Hotspot (z.B. MOSFET, IGBT,
Hochleistungs-LED, etc.) bis zur Wärmesenke (Kühlkörper, Gehäuse). HSMtec ermöglicht
darüberhinaus die Konstruktion von selbsttragenden mehrdimensionalen Leiterplatten für
unterschiedlichste Anwendungen (auch in Kombination mit hohen Strömen und
Wärmemanagement).
HSMtec – Hohe Ströme
Die partielle Integration von Kupferprofilen in die Leiterplatte erlaubt es, hohe Ströme bis
zu typischerweise 400A auf Innen- als auch Außenlagen in der Leiterplatte zu führen und
gleichzeitig mit feinsten Leiterplattenstrukturen auf denselben Lagen zu kombinieren.
Kupferprofile mit einer Dicke von 0,5 mm und Breiten von bis zu 12 mm können dabei
flexibel miteinander kombiniert werden, um ausreichende Querschnitte zur Stromführung
zur Verfügung zu stellen und damit die resultierende Eigenerwärmung der
Hochstromleitungen auf ein Minimum zu reduzieren. Die direkte Ankontaktierung der
Profile ermöglicht eine einfache Aus- und Einkopplung der Ströme in die Leiterplatte wobei
geprüfte SMD- als auch THT-Steckervarianten zur Verfügung stehen. Die erreichbare
Leistungsdichte auf der Leiterplatte ist dabei um ein Vielfaches höher als bei
vergleichbaren Alternativtechnologien, wo es oftmals nicht mehr möglich ist, die hohen
Ströme in den Zuleitungen moderner Leistungsbauteile auf der verfügbaren Fläche zu
realisieren.
HSMtec - Wärmemanagement
Grundlage eines optimalen thermischen Managements auf der Leiterplatte ist die
Minimierung des thermischen Widerstandes. Dieser berechnet sich wie folgt:
d… Dicke [µm]
A… Querschnitt [mm 2 ]
λ… Spezifische Wärmeleitfähigkeit [W/mK]
HSMtec Seite 2 / 8 Datum: August 2010

Ein Blick auf die spezifische Wärmeleitfähigkeit (siehe Abbildung 1) zeigt die Bedeutung
des durchgängig metallischen Pfades von der Wärmequelle bis zur Wärmesenke und das
Leistungspotential von HSMtec. Denn Kupfer leitet Wärme 1000-fach besser als FR4
bzw. 10.000 fach besser als stehende Luft.
Abbildung 2: Wärmeleitfähigkeit von Materialien
Dank HSMtec kann dadurch eine Minimierung des thermischen Widerstandes erreicht
werden. Der rasche und direkte Abtransport der Wärmeverlustleistung von
Leistungsbauteilen trägt somit wesentlich dazu bei, die Erwärmung dieser Bauteile zu
senken und damit deren Lebensdauer und Effizienz zu erhöhen.
Die intelligente Kombination von integrierten Kupferprofilen mit modernen
Leiterplattentechnologien wie Micro- und Thermovias ermöglicht die direkte metallische
Ankontaktierung der Lötflächen (Bauteile, Kühlkörper) an die Profile, wodurch Nadelöhre
im thermischen Pfad vermieden werden. Ein optimierter Lagenaufbau sorgt zusätzlich für
rasche Wärmespreizung und unterstützt somit das gesamte thermische Konzept.
HSMtec – 3D - Leiterplatten
Mit HSMtec wird es möglich, sowohl Standard-, als auch Hochstromleiterplatten und
HSMtec Seite 3 / 8 Datum: August 2010

Platinen mit integriertem Wärmemanagement in eine platzsparende dreidimensionale
Konstruktion zu verwandeln.
Kerbfräsungen an den Sollbiegestellen sorgen dafür, dass einzelne Leiterplatten-
Segmente durch beliebige Einstellung des Neigungswinkels in die gewünschte
Ausrichtung gebracht werden können.
Abbildung 3: Biegestelle mit Kerbfräsungen
Die flexibel ausrichtbaren Segmente erreichen die gleiche Stabilität wie separate
mechanisch verbundene Teile, sodass sich deren Neigungswinkel auch bei starken
Vibrationen nicht ändert.
Die integrierten Kupferprofile und –drähte ermöglichen das zuverlässige Führen von
hohen Strömen, elektrischen Verbindungen aller Art und thermischen Pfaden über die
Biegekanten der dreidimensionalen Leiterplatte.
HSMtec Seite 4 / 8 Datum: August 2010

Abbildung 4: Mehrdimensionale HSMtec-Anwendung im Bereich der LED-Technik mit Wärmeführung und elektrischer Ansteuerung
über die Biegekanten
Haeusermann’s fundierte Erfahrung im Bereich des Hochstrom- und Wärmemanagements
resultiert unter anderem aus einer großen Zahl an empirischen Untersuchungen und einer
Vielzahl an realisierten Projekten.
Die Mitarbeiter des Competence Centers „HSMtec“ bieten eine aktive und unkomplizierte
Unterstützung bei der Dimensionierung von hohen Strömen, Entwärmungskonzepten bzw.
dem Design der Leiterplatte und der Baugruppe in jeder Phase der Produktentwicklung.
Thermographische Messungen der fertigen Baugruppe oder der einzelnen Leiterplatte
werden unterstützend angeboten.
Aufgrund der hohen Designfreiheit lässt sich HSMtec meist auch in bestehende Layouts
integrieren. Eine frühzeitige Einbindung des Haeusermann Teams in die
Produktentwicklung erleichtert jedoch die Nutzung des vollen Leistungspotentials von
HSMtec zur erfolgreichen Umsetzung der Projektvision.
HSMtec Seite 5 / 8 Datum: August 2010

Der Beschaffungsprozess unterscheidet sich nicht von dem einer herkömmlichen
Leiterplatte. Neben den allgemeinen Leiterplattenspezifikationen sollten bei
Hochstromanforderungen zusätzlich folgende technische Parameter angegeben werden:
maximaler Dauerstrom / Impulsstrom für die jeweiligen Strompfade, typische
Umgebungstemperatur und maximal zulässige Erwärmung. Alle Daten aus Standard
Layout Tools können von Haeusermann weiter bearbeitet werden.
Ein Beispiel gibt Einblick in die vielfältigen Einsatzgebiete von HSMtec und verdeutlicht die
Vorteile dieser innovativen Technologie gegenüber Standardlösungen.
Anwendungsbeispiel: Rotorblattsteuerung für Windkrafträder
SSB Wind Systems gilt als führender Anbieter im Bereich Antriebs- und Windkrafttechnik.
Raumsparende Technologien spielen bei der Realisierung immer leistungsstärkerer
Anlagen eine entscheidende Rolle. Dank HSMtec konnte SSB Wind Systems bei der
neuen Generation von Antriebssteuerungen für Rotorblätter die Gesamtkosten gegenüber
Alternativtechnologien maßgeblich senken und den benötigten Platz deutlich reduzieren.
.
Abbildung 5: Motorsteuerung mit 125A Dauer / 250A Spitzenstrom; Umsetzung mit HSMtec: Integration von 4mm breiten Kupferprofilen
mit einer Gesamtlänge von 1360mm
HSMtec Seite 6 / 8 Datum: August 2010

Der reibungslose Betrieb von Windenergieanlagen stellt hohe Anforderungen an die
Qualität und Technologie der einzelnen Komponenten und vor allem an die Steuerung.
Innovative und neue Technologien spielen bei der Realisierung immer leistungsstärkerer
Anlagen eine entscheidende Rolle. Die wesentliche Herausforderung bei diesem Projekt
war es einen Dauerstrom von 125 Ampere und einen Spitzenstrom von 250 Ampere für 20
Sekunden zwischen den IGBTs und zu den Hochstromsteckern zu führen. Die maximal
zulässige Erwärmung der Leiterplatte durfte dabei nur 40° K betragen.
Mittels der etablierten Ultraschallverbindungstechnik von Haeusermann wurden 4 mm
breite und 0,5 mm dicke Kupferprofile mit einer Gesamtlänge von 1360 mm auf beiden
Außenlagen zwischen den Hochstromanschlüssen und bei den Zu- und Ableitungen der
IGBTs eingebracht. Auf den nur 70µm dicken Außenlagen konnte dadurch zusätzlich
relevante Steuerelektronik auf derselben Leiterplatte untergebracht werden, wodurch der
notwendige Platzbedarf der Gesamtschaltung deutlich reduziert werden konnte.
Im direkten Vergleich mit einer alternativen „Dickkupfer“-Leiterplatte (210 µm Außenlagen,
2 Innenlagen für Steuerelektronik) wurde dadurch ein Kostenvorteil von 13% erzielt.
Abbildung 6: Kostenvergleich HSMtec vs. Dickkupfer.
Auch im Vergleich zu einer Lösungsvariante mit Stromschienen hat HSMtec die Nase
deutlich vorne. Dabei konnten durch die Einsparung von Kupferschienen zusätzliche
Kosten für Montage und Beschaffung vermieden werden, wodurch eine wesentliche
Reduktion der Gesamtsystemkosten erreicht wurde. Gleichzeitig konnten potentiell
fehleranfällige mechanische Verbindungsstellen vermieden werden.
HSMtec Seite 7 / 8 Datum: August 2010

Abbildung 7: Kostenvergleich HSMtec vs. Stromschienen
Die Technologie „HSMtec“
HSMtec wurde von unabhängigen Prüfinstituten nach DIN EN 60068-2-14 und JEDEC A
101-A qualifiziert und für Luftfahrt und Automotive auditiert. Die Technologie setzt auf
Standard-FR4 Material, wodurch eine ideale Weiterverarbeitung sichergestellt ist. Zudem
wird HSMtec im Standard-Herstellungsprozess erzeugt.
Über Haeusermann
Haeusermann GmbH ist Spezialist für Leiterplatten mit besonderen Verlässlich-
keitsanforderungen. Neben bewährten Technologien, wie Durchkontaktierten-, Multilayer-,
HDI- und Starrflexiblen Leiterplatten bietet Haeusermann auch Folientastaturen und
HSMtec-Platinen (Innovative Leiterplatten für den Bereich Hochstrom- und
Wärmemanagement sowie selbsttragende 3D-Leiterplatten–Konstruktionen).
Flexibles Eingehen auf Anforderungen und individuelle technische Beratung machen
Haeusermann zum starken Partner in der gesamten Elektronik-Entwicklung.
Weitere Infos auch unter www.haeusermann.at.
Kontakt
Dipl.-Ing. Stefan Hörth – Competence Center HSMtec
Haeusermann GmbH, A-3571 Gars am Kamp, Zitternberg 100
Tel. +43/2985/2141-9620; Fax +43/2985/2141-333, E-mail: hsmtec@haeusermann.at
HSMtec Seite 8 / 8 Datum: August 2010