Was ist eine Hochstrom-Leiterplatte?
Hochstrom-Leiterplatten sind Leiterplatten mit Schaltungen, die hohe Ströme verarbeiten können.
Mit der fortschreitenden Elektrifizierung von Fahrzeugen wie Hybriden, EVs und PHEVs werden auch zunehmend Leiterplatten mit elektronischen Komponenten benötigt, die hohe Ströme verarbeiten können. Die Nachfrage nach höheren Strömen auf Leiterplatten kann durch eine Vergrößerung der Strukturbreite erfüllt werden. Allerdings sind der Vergrößerung der Musterbreite heutzutage Grenzen gesetzt, wenn die elektronischen Bauteile gleichzeitig kleiner sein müssen.
Eine Erhöhung der Kupferfoliendicke der Leiterplatte ermöglicht es daher, höhere Ströme zu bewältigen. Während die Kupferdicke einer typischen Leiterplatte 35 µm beträgt, ermöglicht die Hochstrom-Leiterplatte Schaltungen mit einer Kupferdicke von bis zu 2000 µm, wodurch hohe Ströme bewältigt werden können.
Anwendungen von Hochstrom-Leiterplatten
Hochstrom-Leiterplatten werden nicht nur in Fahrzeugen mit Benzinmotor verwendet, die immer elektronischer werden, sondern auch in Elektrofahrzeugen, Hybriden und PHEVs. Sie eignen sich auch für die Miniaturisierung elektrischer Komponenten mit großen elektrischen Lasten, wie z. B. Hochstrom-Steuerschaltungen für Roboter, Hochleistungsnetzteile, Schalt- und Motorschaltungen, Unterbrecher und Sicherungskästen.
Bei Leistungsbauelementen, die bei hohen Temperaturen Wärme erzeugen, wie IGBTs, Leistungs-MOSFETs, Schottky-Dioden und Thyristoren, und bei einigen LED-Wärmeableitungsmaßnahmen, wie z. B. bei Verkehrsampeln und Außenwerbetafeln, wird die Leiterplatte ebenfalls für eine hervorragende Wärmediffusion und Wärmeableitung eingesetzt.
Funktionsweise von Hochstrom-Leiterplatten
Um einen hohen Strom durch ein Leiterplattenmuster leiten zu können, muss die Querschnittsfläche des Kupfermusters groß sein. Dies wird durch eine Erhöhung der Musterbreite und der Dicke der Kupferfolie erreicht.
1. Variation der Musterbreite
Bei einer Vergrößerung der Musterbreite kann es leicht zu einer Vermischung von Verdrahtungen mit dünnen und dicken Leiterstärken kommen. Durch Anpassung der Querschnittsfläche des Kupfermusters an die Stromstärke, die durch die Musterbreite fließt, kann das Design wie bei einer normalen Signalübertragungsplatine durchgeführt werden.
2. Änderungen der Kupferfoliendicke
Wenn die Kupferfoliendicke erhöht wird, können auch große Strompfade mit einer relativ kleinen Musterbreite entworfen werden. Da zwischen der Dicke der Kupferfolie und der Strommenge, die fließen kann, ein proportionales Verhältnis besteht, kann die Verdoppelung der Kupferfoliendicke beim Entwurf eines bestimmten Strompfads die Musterbreite um die Hälfte reduzieren.
Auf der anderen Seite ist der Nachteil, dass das Verhältnis zwischen der Breite der Verdrahtung und dem Abstand zwischen benachbarten Verdrahtungen größer ist als bei einer normalen Leiterplatte; wenn das Verhältnis größer ist, können Pads mit kleinen Pad-Abständen nicht entworfen oder Pads mit großen Bauteilen nicht montiert werden. Hier ist Vorsicht geboten, da dies zu Einschränkungen beim Design und bei der Auswahl der Bauteile führt.
Weitere Informationen zu Hochstrom-Leiterplatten
1. Herstellung einer Hochstrom-Leiterplatte
Hochstrom-Leiterplatten verarbeiten im Vergleich zu normalen Leiterplatten sehr hohe Ströme. So werden beispielsweise in der Automobilelektronik etwa 2 A bis 100 A benötigt. Die Querschnittsfläche des Kupfermusters muss so gestaltet werden, dass sie der Menge des durch das Muster fließenden Stroms entspricht.
Eine heute übliche Produktionsmethode für Leiterplatten ist das Ätzverfahren (Auflösen der Kupferfolie). Das Kupfer wird auf der Grundlage eines auf die Kupferoberfläche gezeichneten Ätzresistmusters geätzt (aufgelöst).
Im Gegensatz dazu haben Hochstrom-Leiterplatten eine dickere Kupferfolie, so dass das Auflösen bei diesem Verfahren von der Oberseite der Kupferfolie aus erfolgt. Das Ätzen erfolgt nicht nur in der Tiefenrichtung, sondern auch zwischen den Mustern, was zu einem trapezförmigen Musterquerschnitt führt. Dies führt zu einer weniger genauen Querschnittsfläche.
Es ist daher nicht ratsam, Hochstrom-Leiterplatten mit denselben Techniken zu entwerfen wie gewöhnliche Signal-Leiterplatten. Hochstrom-Leiterplatten werden mit herstellereigenen Methoden hergestellt, wie z.B. der Optimierung der Mehrlagen-Fertigungstechnologie für dicke Kupferleitungen und der Realisierung von dicken Kupferschaltungen mit dem Prepreg-Verfahren und der Vakuum-Laminierpresse.
2. Herstellungskosten
Hochstrom-Leiterplatten verwenden kupferkaschierte Laminate mit dicker Kupferfolie. Der Nachteil ist, dass es sich hierbei um ein nicht standardisiertes Material handelt, das daher teurer ist, was zu höheren Herstellungskosten führt.
Obwohl die Kosten erheblich höher sind als bei allgemeinen Leiterplatten, ist dies ein bedeutender Vorteil für Anwender, die Hochstromprodukte in Massenproduktion herstellen.