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.
HOCHSTROMLEITERPLATTE
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
HOCHSTROMLEITERPLATTE
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
HOCHSTROMLEITERPLATTE
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
HOCHSTROMLEITERPLATTE
Wärmemessung Phoenix Contact:2mm und 6mm Leiterbahnbreite, bleifrei verlötet
HOCHSTROMLEITERPLATTE
T0=
22°C
Bleifrei 2mm, Draufsicht
Bleifrei 2mm, Unteransicht
Bleifrei 6mm, Draufsicht
Bleifrei 6mm, Unteransicht
HOCHSTROMLEITERPLATTE
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
Leiterplatte min. 130mm
Leiterplatte min. 130mm
Aufgabenstellung: Realisierung eines 8mm² - Querschnittes über verschiedene Technologien
Packungsdichte im Vergleich zur konventionellen Technologie
HOCHSTROMLEITERPLATTE
Einseitige Leiterplatte
400µm CU
Plane Oberfläche
HOCHSTROMLEITERPLATTE
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
HOCHSTROMLEITERPLATTE
Mit HS - Technologie von Korsten & Goossens:
Integration von Leistungs-und Steuerungsströmen
HOCHSTROMLEITERPLATTE4. Anzahl der Schnittstellen verringert sich
Mit konventioneller Technologie:
Anschluss von Leistungs-und Steuerungsstömen über eine Leitung
Leistungsteil
Steuerteil
Lösung alt Lösung neu
HOCHSTROMLEITERPLATTE
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
HOCHSTROMLEITERPLATTE
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.
HOCHSTROMLEITERPLATTE
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.
HOCHSTROMLEITERPLATTE
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
HOCHSTROMLEITERPLATTE
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
HOCHSTROMLEITERPLATTE
... 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
HOCHSTROMLEITERPLATTE
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
HOCHSTROMLEITERPLATTEKaufmännische Aspekte
Mit konventioneller Technologie:
Leistungs- und Steuerungsteil getrennt
Anwendung: Batterieantrieb für Flurförderfahrzeuge
HOCHSTROMLEITERPLATTEKaufmännische Aspekte
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]
Weitere Beispiel Anwendung BMSBattery Management System