WARMES GmbH · 2017. 1. 6. · Korsten & Goossens GmbH und Herr Thomas Mang hat für Sie die...

WARMES GmbH

PRÄSENTATION:

HOCHSTROMLEITERPLATTE

Stand: 21.06.2006

Korsten & Goossens GmbH und Herr Thomas Mang hat für Sie die

Hochstromleiterplatte zur optimalen Kombination von Leistungselektronik mit

digitaler Elektronik entwickelt und patentiert. WARMES GmbH ist der einziger

Partner die diese Hochstromleiterplatten in China vernünftig produzieren kann.

In der Leistungselektronik müssen immer höhere Ströme auf möglichst kleinem

Raum übertragen werden. Für Automotive Anwendungen wie Kfz und

Schienenfahrzeuge, Solar-, Batterie- oder Antriebstechnik sind neue Lösungen

gefragt, die auf Kabel- oder Stromschienen, aus Platz- oder auch aus

Kostengründen, verzichten müssen.

Eine daraus resultierende Aufgabenstellung ist die effiziente Wärmeabführung.

Die Hochstromleiterplatte von WARMES ist die Lösung für Sie.


INDUSTRIEELEKTRONIK

ANTRIEBSTECHNIK

ENERGIEGEWINNUNG

AUTOMOTIVE

BAUMASCHINEN

ELEKTROFAHRZEUGE

BAHNTECHNIK

MILITÄR, LUFTFAHRT, MARINE

ANWENDUNGSFELDER

HOCHSTROMLEITERPLATTETechnische Aspekte

1. Transportieren von hohen Strömen auf der Leiterplatte bis 1.000 A

2. Erschließung neuer technischer Möglichkeiten- Mechatronik (Kombination von mechanischer Kontaktierung und Steuer – Elektronik

(SMT Technik))

3. Großes Maß an Flexibilität (Ausführung der Leiterplatte)

4. Anzahl der Schnittstellen verringert sich auf der Leiterplatte

Durchkontaktierungen

5. Anschlußtechniken

6. Funktionalität

1. Technologievarianten und Wärme

2. Streufelder

3. Mechanische Eigenschaften

4. Durchkontaktierungen

5. Ätzfaktoren

7. Fertigungsparameter

8. Lötparameter bleifrei Löten

HOCHSTROMLEITERPLATTETechnische Aspekte

Aufgabenstellungen:

Wärme

Bemessung des maximal zulässigen Belastungsstroms und Kurzschlussfestigkeit mit einem definierten delta T [°K] und delta t [s]

Thermischer Widerstand

Wärmemenge und Wärmeleistung

Wärmeleitung und Wärmeübergänge (Lagenaufbau, Anschlüsse…)

Strahlung und Konvektion (freie und erzwungene)

Kräfte

Mechanische Beanspruchung der Leiterplatte durch Erwärmung

Statisches System / Anschlüsse (Auflager, Einspannung, Verschraubungen…)

Magnetische Felder

Schwingungen / Vibrationen / Stöße durch hohe Kurzschluss-Ströme, Impulse und Frequenzen

HOCHSTROMLEITERPLATTE1. Transportieren von hohen Strömen


Realisierung von hohen Leiterquerschnitten in einer massiven Bahn

FLOTHERM-Modell:1 Leiterbahn 10 mm Breit mittig in einem 110 mm x 110 mm Testboard (FR4) Dicke des Boards: Cu-Kerndicke (2 mm) + FR-4 (400 mµ oben und unten), Horizontale Lage

Mit einem definierten T = 20°K ergibt sich eine Stromtragfähigkeit In+/-5% = 100A.

41

68

115

63

100

170

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 5 10 15 20 25

Leiterbreite b (mm)

Str

om

stä

rke I (

A)

d = 1mm

d = 2mm


Leiterbreite

b (mm)

Stomstärke

Id=1mm (A) +/- 5%

Stomstärke

Id=2mm (A) +/- 5%

5 41 63

10 68 100

20 115 170

Weitere FLOTHERM-Modelle:1 Leiterbahn mittig in einem 110 mm x 110 mm Testboard (FR4) Dicke des Boards: Cu-Kerndicke + FR-4 (400 mµ oben und unten), Horizontale Lage, T = 20°K, freie Konvektion, freie Abstrahlung


Wärmemessung Phoenix Contact:2mm und 6mm Leiterbahnbreite, bleifrei verlötet


T0=

22°C

Bleifrei 2mm, Draufsicht

Bleifrei 2mm, Unteransicht

Bleifrei 6mm, Draufsicht

Bleifrei 6mm, Unteransicht


0

510

15

2025

30

354045

50

55606570

7580

85

90

95

100

105110

115

120125

130135

140145

150155

160165170

175

180

185

190195

200

205210

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Umgebungstemperatur (°C)

Strom

stärke

(A)

2 mm 3 mm

4 mm

5 mm

6 mm

7 mm

Delta T =45 K

Ab Leiterbahnbreite 5 mm

( 10 mm²

Leitungsquerschnitt ) o.K.

Messpunkt Lötstiftspitze

Prüfaufbau gemäß DIN

IEC 60512

Begrenzung des Delta T

= 45 K nach EN 60998-1

bei Belastung mit

Bemessungsstrom und

Bemessungs-

querschnitt.

mit 400µ Dickkupfertechnik–> 20mm Leiterbahnbreite= Leiterplatte min. 130mm breit

mit 2,0mm Dickkupfertechnik–> 4mm Leiterbahnbreite

= Leiterplatte max. 26mm breit

Leiterplatte min. 130mm

max. 26mm400µm CU

2,0mm CU - Dicke

20mm

HOCHSTROMLEITERPLATTE2. Erschließung neuer technischer Möglichkeiten

Aufgabenstellung: Realisierung eines 8mm² - Querschnittes über verschiedene Technologien

Platzsparend durch Integration von Leistung

Einseitige Leiterplatte

mit 2,0mm Dickkupfertechnik–> 4mm Leiterbahnbreite= Leiterplatte max. 26mm breit

Zweiseitige Leiterplatte je 200µm CU

4 - Lagen Multilayerje 100µm CU

400µm CU

2,0mm CU - DickeLeiterplatte min. 130mm



Aufgabenstellung: Realisierung eines 8mm² - Querschnittes über verschiedene Technologien

Packungsdichte im Vergleich zur konventionellen Technologie


Einseitige Leiterplatte

400µm CU

Plane Oberfläche


Mit konventioneller Technologie:

Durch die mächtigen, außenliegenden Hochstromlagen muss der Lötstopplack mehfach nachgedruckt werden.

Mit Hochstromleiterplatte von:

Durch die Plane Oberfläche mit innenliegender Hochstromlage kann der Lötstopplack problemlos und sauber aufgetragen werden.

400µm CU

2- Lagen Signallage + HochstromlageHochstromlage innen Leiterdicke 0,6 – 2mm

1

2

4- Lagen Signallage + HochstromlageHochstromlage innen Leiterdicke 0,6 – 2mm

1

2

3

4

1

2

3

4

1- Lagen Signallage + HochstromlageHochstromlage innen Leiterdicke 0,6 – 2mm1

HOCHSTROMLEITERPLATTE3. Großes Maß an Flexibilität

a)

b)

c)

70µ 35µ

1.500µ

Weitere, auch asymetrische Lagenaufbauten, sowie Aufbauten mitHoch-Tg Materialien sind nach Rücksprache möglich

Lieferung auch RoHS - Konform und mit UL - Zulassung

6- Lagen Signallage + 2 HochstromlagenHochstromlagen innen Leiterdicke 0,5 – 1mm

1

2

3

4

5

6

d)

70µ

35µ

1.000µ

1.000µ


Mit HS - Technologie von Korsten & Goossens:

Integration von Leistungs-und Steuerungsströmen

HOCHSTROMLEITERPLATTE4. Anzahl der Schnittstellen verringert sich


Anschluss von Leistungs-und Steuerungsstömen über eine Leitung

Leistungsteil

Steuerteil

Lösung alt Lösung neu


Einpress-KontakteEinpress-AnschlüsseEinpress-Relais Sockel

HOCHSTROMLEITERPLATTE5. Anschlusstechniken

Gewindebohrungenim Hochstrombereich

Anschlussfläche

Gewindebolzen

COMBICON

Therm. Anbindung an Hochstromlage

elektr. Anschluss auf Signallage

SO

T

Zugangsfläche

Sackloch

Bohrung isoliertvon Hochstromlage

Bohrung außerhalbHochstromlage

Technologievariante APartiell eingebettete Hochstromleiter

Technologievariante BHochstromflächenPlanes oder Split Planes

Beispiel einerHochstromlage

HOCHSTROMLEITERPLATTE6. Funktionalität

6.1. Technologievarianten und Wärme

Technologievariante DHochstromleiterplatte und Alukern zur gezielten Wärmeableitung

Technologievariante CKomplexe Hochstrom Leitergeometrien

Alukern


6.2. Reduktion von Streufeldeinflüssen durch gezielte Hochstrominnenlage

bzw. Massefläche, vgl. Beispiel: Verteilung der Hochstromlage auf 4Ebenen in Standard FR4 – Ausführung.

6.3. Erzielung einer höheren Materialstabilität durch innenliegende

Hochstromlage, vgl. Beispiel: 4 - Lagen Multilayer in Standard FR4 –Ausführung. Montage durch das Aufschrauben von IGBT´s mit einem

wohldefinierten Drehmoment nicht möglich, ohne diese mechanisch zu

beeinträchtigen. Gefahr von Hülsenrissen im Gegensatz zurHochstromleiterplatte.


Hülsenrisse

6.4. Im Gegensatz zur konventionellen Technologie sind bei entsprechendem

Layout keine Durchkontaktierungen der mit Hochstrom durchflossenen

Leiterbahnen notwendig

6.5. Durch die patentierte Hochstromtechnologie von der Korsten und

Goossens GmbH kann im Gegensatz zur herkömmlichen Technologie die

Gefahr von Über- und Unterätzfaktoren ausgeschlossen werden.


Aussenlagen

bzw. Signallage

Hochstrom-lage

Mindest

Leiterbahn-breite

0,18 2,0

Mindest

LB-Abstand0,18 2,0

Abstand zum LP-Rand

0,20 0

Kleinste Bohrung Ø

0,80** 0,80**

Bohrloch -abstand

0,20

Sämtliche Angaben sind in mm und als Beispiel zu verstehen

AB

B

C

A

B

C

D E

E

D

ABei den Hochstromleitern ist nahezu jede Freiform möglich

** bei den Bohrdurchmessern ist das Aspect Ratio zu berücksichtigen

HOCHSTROMLEITERPLATTE7. Fertigungsparameter

Neben den Leiterplatten Standarddicken kann nahezu jede Dicke realisiert werden.Es können auch FR4-Hoch-Tg-Laminate und andere Harze verwendet werden.

Kupferdicken der Signallagen17 – 35 – oder 70µm

Der vertikale Mindestisolationsabstand Signallage zur Hochstromlage ( Außenlagen) beträgt 300µm


Standard-Stärken Hochstromkupfer

0,5mm

1,0mm

1,5mm

2,0mm

2,5mm

Datenformat: Gerberdaten oder extended Gerber

Design - Regeln: Vermeidung komplexer Hochstromstrukturen,

Kupferanteil nicht über 60%

Was zu beachten ist beim Leiterplatten – Design...

Angabe von Kupferdicken auf Innen- und Außenlagen

Angabe von Spezialdrucken sowie Positionsdruck, Blaulack

Mehrfach - Lötstoppmaske zur Erzielung höherer SpannungsfestigkeitenTypische Werte: 20-30µm Lötstopplack je Druck auf der Oberfläche, an den Kantenca. 5-8µm bei einer Spannungsfestigkeit von ca. 160-190kV/mm

Mindestleiterplattendicke = Hochstromlage + jeweils 0,3-0,5mm Isolation, jedoch nicht über ca. 3,2mm Gesamtstärke


... Was zu beachten ist beim Leiterplatten - Design

Maximales Fertigungsformat: 570mm x 340mm, nach Absprache auch größer

Bohrdurchmesser: >=0,8mm für Ankontaktierung der Hochstromlage; >=1,5mm für Durchbohrungen (variiert mit der Kupferdicke)

Bohrrand / Freistellungen durch die Hochstromlage >=1mm von der Kante der Kupferschiene

Einpresstechnik in der Hochstromlage mit speziellen Steckern (z.B. COMBICON)

Hochstromschienen müssen am Stück zu fertigen sein

Angabe der Oberfläche

chem. Sn, chem. Ni/Au

galv. Sn, galv. Ni/Au, galv. Ni/Au/Rh

HAL bleifrei nach Absprache


Allgemein:

Leiterplatten unbedingt vor dem Löten mit 120 bis 140°C je nach Kupferdicke und Lage 60-120 Minuten im vorgeheiztenOfen tempern (sonst Gefahr von Delamination)

Umgebaute Anlagen für bleifrei Löten erforderlich

Geeignete Flussmittel für bleifreies Lot

Wellenlöten (konventionelle Bestückung):

bleifrei Löten bei ca. 250°C - 270°C für ca. 5 - 10 Sekunden (variiert)

Verbesserte Lötergebnisse mit Vakuumlöten bzw. erhöhtem Wellendruck

Bessere Umfließung des Lotes durch geeignete Steckerformen

Reflow – Verfahren (SMD - Bestückung):

Bleifrei bei Peak ca. 240°C und 0,8 m/min

Verweilzeit am Peak: ca. 5 Sekunden

HOCHSTROMLEITERPLATTE8. Lötparameter bleifrei Löten

HOCHSTROMLEITERPLATTEKaufmännische Aspekte

Die Vorteile:

Systempreis ist günstiger

Miniaturisierung (geringerer Platzanspruch + Gewicht)

Reduktion von Lieferanten und Montagearbeiten

Anzahl der Schnittstellen verringert sich

Kürzere Realisierungszeiten

Einsparung von mechanischen Komponenten

Technischer Fortschritt mit Hochstromleiterplatte möglich

Mit HS - Technologie:

Integration von Leistungs- u. Steuerungsteil



Leistungs- und Steuerungsteil getrennt

Anwendung: Batterieantrieb für Flurförderfahrzeuge


Mit HS - Technologie:Mit konventioneller Technologie:

Produktpreis: 180 Euro

Montagekosten: 20 Euro

Inbetriebnahme: 20 Euro

Systemkosten: 220 Euro

Produktpreis: 100 Euro

Montagekosten: 5 Euro

Inbetriebnahme: 10 Euro

Systemkosten: 110 Euro

Kostengegenüberstellung

An diesem Beispiel beträgt die Kosteneinsparung 50%.

... rufen Sie uns einfach an.

Wir helfen Ihnen gerne, Ihre neuen Entwicklungen

mit der optimalen Leiterplattentechnologie zu realisieren.

... und was können wir für SIE tun?

IHR ANSPRECHPARTNER:

Mr. Yingjun Zhang

WARMES GmbH

Luxemburger Str. 267D-50354 HürthGermany

Telefone:+49 2233-708318Telefax: +49 2233-77888E-Mail: [email protected]

[email protected]

Weitere Beispiel Anwendung BMSBattery Management System

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