Bypässe für hohe Ströme Wirelaid Partielle ......Korrosion: IPC612 B / TM 650 Prüfung auf...

Bypässe für hohe Ströme

Wirelaid® - Partielle Hochstromlösungen, Technologie und Anwendung

03.12.2014 www.we-online.de

Agenda

03.12.2014 www.we-online.de Seite 2

Preisvergleich,

thermische Betrachtung

Einführung

WIRELAID

vs

Standard

Design Guide

Thermische Betrachtung

Wissenswertes

Referenzen

Ausblicke

Anwendungsbeispiel

Kostenvergleich

FAQ

Einführung

Ströme (300A und mehr) Logik (SMD, Feinleiter)

Auf einer Leiterplatte nutzen


Anforderungen des Marktes:

Einführung

Das Prinzip

Einsatz von Drähten zur Realisierung von Hochstromleiter

Leistungs- und Steuerungselektronik auf einem Layer oder Board

Alternative zu Dickkupfer, Inlays bei geringer Lagenanzahl

Die Technik

Anschweißen von Kupferflachdrähten (1,4mm x 0,35mm) auf der Treatmentseite (spätere

Innenseite) von Standardkupferfolien

Nach dem Verpressen liegen die Drähte im inneren des Laminates, eingebettet im Prepreg

Zusätzlicher Querschnitt unter einem gewöhnlichen Leiterzug

Außenlagen bleiben SMD-fähig


3D Fähigkeit


Tiefenfräsung durch das Basismaterial

Komplexe Einbauräume ohne Stecker

Große Querschnitte bei kleinsten

Biegeradien (

Einführung

Für eine tiefergehende Einführung nutzen Sie bitte unser Webinar Archiv:

Videomitschnitt

Präsentationsfolien als pdf

übrigens für alle bisherigen

Webinarinhalte


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FAQ

WIRELAID versus Standard

WIRELAID Querschnitt

Draht

Leiter über Draht

(35µm Basis-Cu)

Breite Standardleiter

(35µm Basis-Cu)

Reduzierung

Routingfläche

F14 0,5mm² 1,9mm 8,9mm 78,7%


0,63mm² Anforderung Kunde: 20A bei 20K (35µm Basis-Cu)

Mit WIRELAID

Einsparung von

78,7%

8,9mm

1,9mm

4,5mm

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FAQ

Design Guide NEU

Seit der Messe electronica 2014

gibt es den neuen

WIRELAID Design Guide 1.2

– neu: Nomenklatur

– neu: Designhinweise für die

Verwendung der WIRELAID Lagen

– neu: Kostenvergleiche

– neu: Stromeinspeisung

englische / französische Versionen

folgen bald


Design Guide: Nomenklatur von WIRELAID Lagenaufbauten

MLn Wire@a@b....@n n = Anzahl der Lagen

a, b, c…: Lagen mit Drähten


Design Guide: Außenlage? Innenlage?

Überlegungen 1:

Komplexere Logikschaltungen verwenden SMD-Bauteile wie Controller und Speicher mit

feinen Anschlussrastern. Um die Bestücklagen für Feinstleiterstrukturen frei zu halten,

werden die WIRELAID Drähte auf innen liegende Lagen verlegt. Anforderungen

bezüglich EMV und mehreren Versorgungsspannungen geführt auf Innenlagen, können

nun mit Standardkernen und geringeren Kupferdicken erfüllt werden. Die Anzahl der

Lagen ist dabei im Vergleich zum Standard Multilayer meist gleich, siehe Aufbau

ML6 Wire@2@5:


Design Guide: Außenlage? Innenlage?

Überlegungen 2:

Spielt die Entwärmung durch direkten Kontakt zum Gehäuse eine Rolle oder werden

Leistungshalbleiter wie IGBT oder D²PAK direkt auf der Außenlage bestückt, dann wird

diese Außenlage als WIRELAID Lage mit geschweißten Drähten verwendet. Siehe

Aufbau ML6 Wire@1@6.:

Dies sollte ebenfalls für einfachere Logikschaltungen angestrebt werden. Außerdem werden

viele Durchkontaktierungen und damit Kosten eingespart, wenn die Leistungsbauteile direkt

auf dem Landepad der WIRELAID Drähte ankontaktiert werden können.

Für einfache Schaltungen kann es möglich sein, die Anzahl der Lagen zu reduzieren.


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Anwendungsbeispiel

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FAQ


Wissenswertes

Referenzen

Ausblicke

Anwendungsbeispiel

Strombelastung dauerhaft 70 A

Zul. maximale Temperatur 80C°


Vorher: 8 Lagen, davon 6 Innenlagen mit 105µm Cu

Nachher: 4 Lagen mit Wirelaid ML4 Wire@2

Kostenvorteile durch geringere Lagenanzahl und Kaschierungsdicke

Kostenvergleich: zur konventionellen Lösungen


Ausgangssituation

Eine Multilayerschaltung mit 6 Lagen, je 105µm Cu, übernimmt den Hochstrombereich.

Die Logik wird auf einem Modul mit Feinleitertechnik realisiert und per Steckverbinder auf

die Hauptplatine kontaktiert .

Neue Lösung mit WIRELAID

Durch die Möglichkeit der Feinstleiterstrukturen auf den bestückfähigen Lagen kann das

Logikmodul komplett integriert werden. Die Verbindungstechnik entfällt ebenso wie alle

anderen Systemkosten für das Modul und die Integration.

Kostenvergleich 1: Leiterplattenebene


Kostenvergleich 2: Systemebene


Die Kosten können in diesem Beispiel praktisch halbiert werden. Beeindruckend ist auch das enorme Einsparpotenzial bei den

Einrichtekosten, die absolut gesehen insbesondere bei kleinen Stückzahlen entscheidend sind.

Häufig gestellte Fragen zur Technologie aus Kundensicht


FAQ der WIRELAID-Technik – Beispielhafte Erfahrungen aus dem Alltag

1. Gibt es Hot Spots an den Drahtübergängen?

2. Wie realisiert man Stromeinspeisung und Ausleitung?

FAQ - Erfahrungen aus dem Alltag

Hot Spots an den Drahtübergängen? Nein

– Erhöhte Stromdichte

– Abstand zwischen Drähte durch Designregeln bestimmt

Untersuchung des Problems

– Thermografische Analyse

– Hintergrund:

• Leistungsabfall am Ohm'schen Widerstand

– Mit P = I² x R, höhere Stromdichte S

– Lösung: durch hohe lokale Wärmekapazität entsteht kein HotSpot

Es gilt die Beziehung

(Rechnung)


I [A] = 9,1 [mm²] 0,68 * ΔT [K]0,43

FAQ: Einspeisung und -ausleitung durch Powerelemente

bis 50 A: SMD Powerelemente

– Kein Durchbohren der Pads

– Ideal für WIRELAID

– Standard Bestück- und Lötprozess

– Im Gurt mit Ansaugkappe erhältlich

– Innen- und Außengewinde M3 oder M4

über 50 A: Press-Fit Powerelemente

– Lötfreie, hochzuverlässige

Verbindungstechnik

– Innen- und Außengewinde bis M10

– Haltekräfte nach IEC 352-5

– Bohrlochspezifikation für

Einprsstechnik beachten!

– WIRELAID Drähte nicht durchbohren!

mehr Infos:

we-online.com/powerelements


Press-Fit Powerelemente

Spezifikation Einpressbohrungen:

– chemische Oberflächen

– HAL Oberfläche



Press-Fit Powerelemente WIRELAID Drähte dürfen

nicht durchbohrt werden!

Querschnittsvergleich:

– Schweißfläche am Draht / Pad: ca. 1mm 0,8mm²

– Anbindungsfläche in Bohrhülse:

Bohr 1,45mm,* Drahtdicke 0,35mm 0,6mm²

– Hülsenquerschnitt Bohrung

1,45mm, 25µm Cu in der Hülse: 0,11mm²



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Thermische Betrachtung (TRM Software © Adam Research)


Antrieb Stellmotor 75A

Layout konventionell

ML6, je 70µm Cu Basis

Antrieb Stellmotor 75A

Layout Wirelaid

ML4 Wire@2@3

IL70µm, AL 35µm Cu Basis



Festlegen des Simulationsbereiches nach:

• Stromdichte S

• Elektrische Leitfähigkeit σ (Sigma)

• Wärmeleitfähigkeit λ (Lambda)

• Layer Stack Up



Simulationsergebnis Antrieb

Stellmotor 75A

Layout WIRELAID

Tmax 33,8°C

Reale IR Messung Antrieb

Stellmotor 75A Layout konventionell

Tmax: 35,3°C



Reale IR Messung Antrieb Stellmotor 75A

Layout Wirelaid

Tmax: 27,4°C

Durch den Aufbau mit Wirelaid konnte bei besserer Performance

ein Core (2 Lagen) und Basis Cu eingespart werden

Thermische Betrachtung: Demonstrator

links:

Multilayer 6 Lagen

je 105µm Kupfer

rechts:

2 Lagen ML2 Wire@1@2

je 35µm Kupfer, Wires F14

Ergebnis bei 50A:

Praktisch gleiche Erwärmung,

gemessen mit Optris IR-Kamera

Mit freundlicher Unterstützung der

Firma Optris, Berlin



Es folgt eine Kurzumfrage

Welche Aussagen treffen auf WIRELAID zu?

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Wissenswertes: Fertigung der WIRELAID Folien

aktuelle Evolutionsstufe:

es sind Basismaterialien und Drähte

mit angepaßten Oberflächen in

erprobten Kombinationen bis hin zu

Temperaturen von 180°C erhältlich


Herstellungsschritte

Wissenswertes: Anwendungsbereich von WIRELAID

Die Stromtragfähigkeit bei WIRELAID

hat keine typische untere Grenze.

Auch kleine, flächensensitive

Schaltungen können profitieren

Aktuelle Anwendungen realisieren

Ströme bis ca. 300A

Die obere Grenze der Ströme

begrenzen lediglich ökonomische

Aspekte


Wissenstwertes: Supplier base: WIRELAID Lizenznehmer

5 lizensierte deutsche Hersteller

2 asiatische Produzenten für hohe

Volumen

Verhandlung mit 2 weiteren

Herstellen international

Schweißmaschinen:

– 6. Evolutionsvariante für den

erweiterten Einsatz bei anderen

Herstellern

Serienproduktion diverser

Applikationen im Bereich 10k/y


§

Referenzen: WIRELAID Qualifikationen

HTG Lagerung:

Bosch Norm BV Y273 R80029

1000h bei 140°C

Feuchte Klima: IPC TM 650

1000h bei 85°C und 85% RH

TWT:

– IPC 6012 B, 1000 Zyklen

– BV Y273 R80029

Korrosion: IPC612 B / TM 650

Prüfung auf Silbermigration

Dauerschock: EN 60068 2-29

100000 Impulse (11ms) bei max. 50G

Delamination: IPC 6012B

– Lötbadtest 10s bei 288°C

UL: Kategorie ZPMV2/8

– Full Recognition mit MOT und CTI in Arbeit


Referenzen: WIRELAID Anwendung Windkraft

Pitchverstellung

Vorher: ML6

Nachher: ML4 wire@2@3


Referenzen: WIRELAID Anwendung Industrie

AC Servo Verstärker

Strombelastung dauerhaft 50 A

Maximal zul. Temperatur 80C°


Vorher: 2 Leiterplatten, 6 Lagen mit 70µm

Nachher: 1 Leiterplatte, ML6 Wire @1 + 3D

Vorteile: Herstellung LP, Bestückung, Test, Lager und Wegfall des Moduls und der LP Verbinder

Kfz Komponenten Dauerprüfstand


Vorher: Kombination Flachkabel / Stecker Leiterplattenverbindung, 2 Leiterplatten ML4

Nachher: 1 Leiterplatte, ML4 Wire @1 + 3D

Vorteile: Wegfall sämtlicher manueller Vorgänge, vollintegrierte LP Verbindung, mehr LP Nutzfläche

Referenzen: WIRELAID Anwendung automotive

Antriebssteuerung, Ladeelektronik (Abbildung beispielhaft)


Vorher (fiktiv): ML6 70µm/4x210µm/70µm

Nachher (in Entwicklung): ML6 Wire @2@3@4@5, alle 70µm

Vorteile: Reduktion auf 70µm Basis Cu auf allen Lagen, kleinere LP Dimensionen, einfache Herstellung

Referenzen: WIRELAID Anwendung E-Bike

Ausblick: Passive Entwärmung


Messreihe 2 mit WIRELAID ML4 wire @1@4 Erwärmung Chip von Tu= 20°C bis Tmax= 38°C, bei nomineller Verlustleistung (16,5W/cm²) Bild nach 15s Betrieb Man beachte die, deutliche Wärmespreizung über die horizontalen Drähte und die geringere Tmax zum Messzeitpunkt Deutlich verbesserte, bzw. KEINE Hot Spot Situation

Messreihe 1 ohne WIRELAID ML4

Erwärmung Chip von Tu= 20°C bis Tmax= 55°C,

bei nomineller Verlustleistung (16,5W/cm²)

Bild nach 15s Betrieb

Ausblick: Powerflex

Eingebettete Drähte durch den „Semiflex-Bereich“

Kombination Knick- und Biegebereich

– Leiten der Signale über Flexbereiche

– Leiten der Ströme über Knickbereiche


Wir sind nun am Schluss des Webinars angelangt.

Sie sehen, WIRELAID ist ein interessantes Werkzeug bei der

Elektronikentwicklung und Layoutkonzeption.

Ich hoffe Sie konnten neue Erkenntnisse gewinnen oder

bereits vorhandene erweitern.


Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

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