Leiterplattentechnologie für die Leistungselektronik

25. Januar 2011, Maritim Hotel Nürnberg

Nachbericht

Leiterplattentechnologie für die Leistungselektronik

Steigende Anforderungen für Hochstrom- und Hochvoltapplikationen
Innovative Leiterplattentechnologie liefert Lösungen für die Leistungselektronik
Kooperationsforum in Nürnberg mit Rekordzuspruch von 310 Teilnehmern aus 5 Ländern

Leistungselektronik sorgt für die möglichst effiziente Steuerung und Umformung elektrischer Energie. Dies ist von zunehmender Bedeutung für Hochvolt- und Hochstromanwendungen. Maßgebliche Trends sind die Steigerung der Energieeffizienz in der Produktionstechnik, der Ausbau der dezentralen Netzeinspeisung erneuerbarer Energien oder die weiter zunehmende Elektrik und Elektronik im Automobil, bedingt auch durch Entwicklungen für Elektromobilität. Dies erfordert kontinuierliche Weiterentwicklungen und neuer Lösungsansätze auch in der Leiterplattentechnologie.

Die möglichst frühe Zusammenarbeit von Leiterplattenherstellern und Anwendern ist dabei entscheidend für eine erfolgreiche Entwicklung innovativer elektronischer Systeme, betonte Prof. Dr. Josef Nassauer, Bayern Innovativ GmbH, in seiner thematischen Einführung zum „7. Kooperationsforum Leiterplattentechnologie für die Leistungselektronik" am 25. Januar 2011 in Nürnberg. Das Kooperationsforum wurde von der Bayern Innovativ GmbH im Rahmen des Netzwerkes BAIKEM in enger Zusammenarbeit mit dem ZVEI Bayern, dem VDMA Bayern, dem Fachverband Elektronikdesign e. V., Berlin und dem ECPE e.V./Cluster Leistungselektronik ausgerichtet. Mehr als 310 Experten aus Deutschland, Österreich, Schweiz, Niederlande und Belgien und 26 Aussteller kamen in Nürnberg zusammen, um zielgerichtet Innovationsansätze weiter voranzutreiben - Hersteller von Leiterplatten, Systemen und Komponenten, Experten der Werkstoff- und Verbindungstechnik sowie zahlreiche Anwender aus Automobil, Energietechnik oder Industrie-Anlagenbau. Nach übereinstimmender Meinung zahlreicher Teilnehmer hat sich dieser Treffpunkt zum größten Leiterplatten-Forum in Deutschland entwickelt.

Vielfalt und Anforderungen bezüglich Hochstrom- und Hochvolt-Applikationen nehmen dabei ständig zu, wie Hans-Joachim Friedrichkeit, Inhaber von PCB-NETWORK in Maulburg bei Basel, in seinem fachlichen Übersichtsvortrag an zahlreichen Praxisbeispielen anschaulich darstellte. Neben der Verwendung neuester Leistungshalbleiter ist auch das Design der Leiterplatte als Trägersystem von entscheidender Bedeutung, um die gewünschten Funktionalitäten zu erreichen. Zu den technologischen Herausforderungen zählen die Auswahl geeigneter Basismaterialien, deutlich erweitertes Wärmemanagement in der Leiterplatte, die Kombination von Steuer- und Leistungselektronik auf einem Board oder auch die optimale Kontaktierung der Leistungsbauteile.

Die nachfolgenden Inhalte sind wie folgt gegliedert:

Neue und modifizierte Materialien senken Systemkosten und steigern Systemstabilität

Die oben genannten Anwendungen verlangen Spannungen bis zu 600 V und Ströme bis zu einigen hundert Ampere. Speziell im Automobil wird dabei gleichzeitig eine Temperaturzyklenfestigkeit von -50 ºC bis 180 ºC verlangt. Bisherige Lösungen in diesem Leistungsbereich verwenden oft Keramik als Leiterplattenmaterial und erfordern für die Montage von Bauelementen manuelle Tätigkeiten. Aus Kosten- und Prozessgründen geht auch für Hochleistungsleiterplatten der Trend zur Verwendung von dem üblicherweise benutzten Basismaterial FR4, einem Glasfasergewebe mit Epoxidharzfüllung. Auf Grund der im Vergleich zur Keramik geringeren Wärmeleitfähigkeit treten typische Ausfallmuster auf. Beispiele sind Mikrorisse im Basismaterial oder in Lötstellen, die durch unterschiedliche Ausdehnung der verwendeten Materialien bzw. Temperaturdifferenzen auf der Leiterplatte entstehen.

Dem kann durch neue Basismaterialien mit verbessertem Wärmemanagement begegnet werden, so Manfred Walchshofer, Panasonic Electric Works Electronic Materials GmbH, Enns in Österreich. Zusätzliche Füllstoffe in FR4-Basismaterialien erhöhen deren Wärmeleitfähigkeit deutlich und sorgen für eine gleichmäßigere Wärmeverteilung auf der Leiterplatte. Derartig modifizierte Basismaterialien sollen noch 2011 auf den Markt kommen.

Auch die KSG Leiterplatten GmbH, Gornsdorf, setzt auf neue FR4-Basismaterialien, die die erhöhten Anforderungen bezüglich Betriebstemperatur und Zyklenfestigkeit erfüllen. Z-Achsen-optimierte Basismaterialien mit keramischen Füllstoffen steigern laut Dr. Udo Bechtloff die Zuverlässigkeit von Durchkontaktierungen in Multilayer-Leiterplatten und erhöhen damit deren Lebensdauer.

Innovative Technologie-Konzepte ermöglichen höhere Ströme und effektivere Kühlung

Neben der Verwendung modifizierter Basismaterialien ist auch das Design der Leiterplatte als Trägersystem von entscheidender Bedeutung, um ein verbessertes Wärmemanagement in der Leiterplatte zu erreichen. Zusätzliche Kupferlagen in der Leiterplatte ermöglichen eine gelichmäßigere Temperaturverteilung. Laut Harald Steininger, Häusermann GmbH in Gars am Kamp, Österreich, wird so eine lokale Überhitzung an den Leistungsbauelementen vermieden, was deren Lebensdauer deutlich erhöht. Mit der gleichen Technik werden auch Kupferfolien als Hochstromleitungen für Ströme bis 500 A in die Leiterplatte eingebracht. Die Kontaktierung der Folien erfolgt mit Ultraschallverbindungstechnik.

Eine alternative innovative Technologie-Lösung verfolgt die Andus Electronic GmbH in Berlin, so Dr. Christoph Lehnberger. Andus setzt auf gefräste Kupfereinsätze, die punktuell an die Leiterplattenoberfläche herausgeführt sind. Hier können Leistungsbauelemente direkt kontaktiert werden, was eine sehr effektive Kühlung ermöglicht. Die Kupfereinsätze können zudem seitlich aus der Leiterplatte herausragen, was neue Anschlussmöglichkeiten eröffnet.

Bei der von Manfred Grimmeisen, Project Manager/Product Development bei der Schweizer Electronic AG in Schramberg präsentierten Wirelaid-Technologie werden Kupferflachdrähte als Hochstromleiter in die Innenlagen der Leiterplatten eingebracht. Diese Technologie stellt eine Alternative zu der großflächigen Dickkupfertechnik dar und ermöglicht kompakte Bauweisen. Zudem können die Drähte als Verbindung zwischen Leiterplatten verwendet werden und ersetzen damit teure Steckkontakte.

Durch geeignete Kombination der vorgestellten Maßnahmen können die Temperaturen der Leistungsbauelemente um bis zu 50 Prozent gesenkt und die Temperaturunterschiede auf der Leiterplatte auf 20 ºC begrenzt werden. Neueste Simulationstools ermöglichen zudem schon in der Planungsphase eine Prüfung dieser Effekte. Die verbesserte Kühlung hat aber auch einen Nachteil: die Parameter des nachfolgenden Lötprozesses müssen neu definiert werden.

Steuer- und Leistungselektronik auf einem Board steigert die Funktionalität

Ein großer Vorteil der Verwendung von FR4 Basismaterialien und Kupfer ist, dass beim Leiterplattenhersteller etablierte Fertigungsprozesse verwendet werden können. Auf einfache und kostengünstige Weise lassen sich so Steuer- und Leistungselektronik gemeinsam auf einem Board integrieren, wodurch eine deutliche Steigerung der Funktionalitäten möglich wird.

Am Fraunhofer IZM in Berlin geht man sogar noch einen Schritt weiter. Die Leistungshalbleiter werden direkt in Innenlagen der Leiterplatte gebondet und verschwinden somit in der Leiterplatte. Dr. Eckart Höne ist überzeugt, dass sich dieses Verfahren mittelfristig durchsetzen wird.

Neues Kontaktierungsverfahren spart eine komplette Systemebene

Für die Anbindung von Leistungshalbleitern und Verbrauchern stellte Dr. Klaus Wittig, Geschäftsführer der Würth Elektronik ICS GmbH & Co. KG in Öhringen, eine neuartige Steckverbindungstechnologie zum ersten Mal einer breiten Öffentlichkeit vor. Bei diesem „Wire-to-Board"-Konzept handelt sich um eine einfache Verbindungstechnologie, welche die direkte Anbindung von Steckverbindern an Leiterplatten ermöglicht, ohne löten oder einpressen zu müssen. Da hierdurch die Sockel für Steckverbinder auf einer Leiterplatte entfallen, kann eine komplette Systemebene eingespart werden, so dass Fertigungsprozesse signifikant vereinfacht und Kosten deutlich reduziert werden. Der Wegfall einer elektrischen Schnittstelle sorgt überdies für eine robustere Qualität.

Die Diskussionen während des BAIKEM Kooperationsforums über die vorgestellten technischen Möglichkeiten machten deutlich: Innovationen in der Leiterplattentechnologie für die Leistungslektronik erfordern eine intensive Zusammenarbeit in der gesamten Wertschöpfungskette.

Dr. Rupert Tkotz, leitender Projektmanager BAIKEM bei der Bayern Innovativ GmbH, Nürnberg, fasste abschließend die Kernaussagen des Forums zusammen und gab einen Ausblick auf anstehende Symposien und Foren zur Elektromobilität, Energieeffizienz und Photovoltaik in 2011. Die Teilnehmer bekundeten aufgrund der Bedeutung und der Innovationsdynamik bereits großes Interesse an der nächsten Auflage des Kooperationsforums Leiterplattentechnologie am 24. Januar 2012 in Nürnberg.