Hohe Ströme und die Hitzeentwicklung in elektronischen Baugruppen zügig auf zulässige Partial- und Systemtemperaturen zu drosseln, ist nicht einfach. Die Entwicklung von Technologien, die Leiterplatten effektiv entwärmen, hat daher schon oft in Einbahnstraßen geführt. Einen anderen Weg beschreitet die HSMtec-Technik , die ein effizientes Wärmemanagement der Leiterplatte realisiert, indem sie sie zur aktiven Komponente macht und dabei auf massive Kupferelemente setzt. Mit dieser Architektur, die nach DIN EN 60068-2-14 und JEDEC A 101-A qualifiziert und für Luftfahrt und Automotive auditiert ist, dient die Leiterplatte damit nicht mehr nur als Basis für Leistungselektronik.
Formula Student Austria
Bei der Formula Student liefern sich über 400 universitäre Teams internationaler Universitäten alljährlich einen spannenden Wettbewerb. Dahinter steht als Idee die Annahme, ein Unternehmen habe die Teams mit dem Bau eines Prototypen für Hobbyrennfahrer beauftragt, der für eine Produktion von tausend Fahrzeugen pro Jahr konzipiert ist.
Das aus 63 Studenten bestehende Racing-Team der TU Graz konstruiert und fertigt jährlich zwei Rennwagen der Klasse Formula Student und Formula Student Elektrik. Dabei stehen die Optimierung der Module elektronischer Antriebsstrang, Chassis, Elektronik, Fahrwerk und Motor im Mittelpunkt.
Im Elektroauto MaxWheel sind insgesamt 84 Batteriezellen bestehend aus Lithium-Polymer-Zellen mit einer Nennkapazität von 20 Ah und einem Gesamtgewicht von 48 kg verbaut. Um einen effizienten Ladevorgang zu gewährleisten, ist es nötig, die Spannung zwischen den einzelnen Zellen zu messen und elektronisch auszuwerten. Die Kombination von Ansteuerungs- und Signalverarbeitungstechnik mit Leistungshalbleitern auf einer Leiterplatte stellt auch in der Elektromobilität eine Herausforderung dar. Neben den Anforderungen an Platz und Gewicht gilt es, hohe Ströme zu bewältigen und gleichzeitig für rasche Abwärme zu sorgen.
Kupfer für mehr Power
HSMtec verwendet Kupfer, geht dabei aber selektiv vor: Nur dort, wo tatsächlich hohe Ströme durch die Leiterplatte fließen sollen, wird das massive Kupfer - sei es als Profil oder in Drahtform - in die Leiterplatte integriert. Derzeit stehen 500 µm hohe Profile mit Breiten von 2 mm bis 12 mm in variabler Länge zur Verfügung und bei Drähten hat sich der Durchmesser von 500 µm etabliert (siehe Abbildung oben). Die mit den Leiterbildern stoffschlüssig verbundenen 500 μm dicken Strukturen lassen sich mittels Ultraschallverbindungstechnik direkt auf das Basiskupfer auftragen und mit FR4-Basismaterial in jede beliebige Lage eines Multilayers integrieren.
Im Elektro-Rennwagen MaxWheel 2012 kommen diese Hochstrom-Platinen als Cell-Connector-Board zum Einsatz, welches die einzelnen Zellen verbindet. 8mm breite Kupferprofile auf den Außenlagen der Multilayer-Platine stellen den Kontakt von den Batteriezellen zur Leiterplatte her. Zusätzlich gewährleisten 4 und 8mm breite Profile in den Innenlagen eine Stromtragfähigkeit von 200 A zwischen den in Serie geschalteten Batteriestacks.
Dass dabei Kupfer zum Einsatz kommt, hat mehrere Gründe: Es weist im Vergleich zu Aluminium die doppelte Wärmeleitfähigkeit auf und sorgt somit für eine schnelle Wärmeableitung. Kupfer leitet Wärme 1000-fach besser als FR4. 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 partielle Integration von Kupferprofilen in die Leiterplatte erlaubt es, hohe Ströme bis zu 500 A auf Innen- als auch Außenlagen in der Leiterplatte zu führen und gleichzeitig mit feinsten Leiterplattenstrukturen auf denselben Lagen zu kombinieren. Zudem lassen sie sich flexibel miteinander verbinden, um ausreichende Querschnitte zur Stromführung bereitzustellen und damit die resultierende Eigenerwärmung der Hochstromleitungen auf ein Minimum zu reduzieren. Über die direkte Ankontaktierung der Profile ist es daher möglich, Ströme einfach in die Platine einzukoppeln, wofür sich sowohl geprüfte SMD- als auch THT-Steckervarianten eignen.
Selbsttragende Leiterplatten
HSMtec ist die selektive Integration von Drähten und Profilen in eine konventionelle FR4-Leiterplatte. Sie ermöglicht die Realisierung von hohen Strömen und die gezielte Entwärmung von elektronischen Baugruppen. Wichtig hierbei ist, dass die übrige Leiterplattentechnik unberührt bleibt und dass keinerlei zusätzliche Softwaretools für das Design notwendig sind. Die Technik stellt eine sinnvolle Alternative zur vollflächigen Dickkupfertechnik sowie zur aufwendigen Stanzgitter-Technik dar. Darüber hinaus ist es möglich, durch gefräste Kerben an Sollbiegestellen mehrdimensionale und sogar selbsttragende Leiterplatten zu realisieren, deren einzelne Segmente sich individuell im Neigungswinkel ausrichten lassen.
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