bypässe für hohe ströme wirelaid partielle ......korrosion: ipc612 b / tm 650 prüfung auf...
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Bypässe für hohe Ströme
Wirelaid® - Partielle Hochstromlösungen, Technologie und Anwendung
03.12.2014 www.we-online.de
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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
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Einführung
Ströme (300A und mehr) Logik (SMD, Feinleiter)
Auf einer Leiterplatte nutzen
03.12.2014 www.we-online.de Seite 3
Anforderungen des Marktes:
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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
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3D Fähigkeit
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Tiefenfräsung durch das Basismaterial
Komplexe Einbauräume ohne Stecker
Große Querschnitte bei kleinsten
Biegeradien (
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Einführung
Für eine tiefergehende Einführung nutzen Sie bitte unser Webinar Archiv:
Videomitschnitt
Präsentationsfolien als pdf
übrigens für alle bisherigen
Webinarinhalte
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Agenda
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Preisvergleich,
thermische Betrachtung
Einführung
WIRELAID
versus
Standard
Design Guide
Thermische Betrachtung
Wissenswertes
Referenzen
Ausblicke
Anwendungsbeispiel
Kostenvergleich
FAQ
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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%
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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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Agenda
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Preisvergleich,
thermische Betrachtung
Einführung
WIRELAID
vs
Standard
Design Guide
Thermische Betrachtung
Wissenswertes
Referenzen
Ausblicke
Anwendungsbeispiel
Kostenvergleich
FAQ
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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
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Design Guide: Nomenklatur von WIRELAID Lagenaufbauten
MLn Wire@a@b....@n n = Anzahl der Lagen
a, b, c…: Lagen mit Drähten
03.12.2014 www.we-online.de Seite 11
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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:
03.12.2014 www.we-online.de Seite 12
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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.
03.12.2014 www.we-online.de Seite 13
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Agenda
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Preisvergleich,
thermische Betrachtung
Einführung
WIRELAID
vs
Standard
Design Guide
Anwendungsbeispiel
Kostenvergleich
FAQ
Thermische Betrachtung
Wissenswertes
Referenzen
Ausblicke
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Anwendungsbeispiel
Strombelastung dauerhaft 70 A
Zul. maximale Temperatur 80C°
03.12.2014 www.we-online.de Seite 15
Vorher: 8 Lagen, davon 6 Innenlagen mit 105µm Cu
Nachher: 4 Lagen mit Wirelaid ML4 Wire@2
Kostenvorteile durch geringere Lagenanzahl und Kaschierungsdicke
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Kostenvergleich: zur konventionellen Lösungen
03.12.2014 www.we-online.de Seite 16
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.
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Kostenvergleich 1: Leiterplattenebene
03.12.2014 www.we-online.de Seite 17
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Kostenvergleich 2: Systemebene
03.12.2014 www.we-online.de Seite 18
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.
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Häufig gestellte Fragen zur Technologie aus Kundensicht
03.12.2014 www.we-online.de Seite 19
FAQ der WIRELAID-Technik – Beispielhafte Erfahrungen aus dem Alltag
1. Gibt es Hot Spots an den Drahtübergängen?
2. Wie realisiert man Stromeinspeisung und Ausleitung?
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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)
03.12.2014 www.we-online.de Seite 20
I [A] = 9,1 [mm²] 0,68 * ΔT [K]0,43
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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
03.12.2014 www.we-online.de Seite 21
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Press-Fit Powerelemente
Spezifikation Einpressbohrungen:
– chemische Oberflächen
– HAL Oberfläche
03.12.2014 www.we-online.de Seite 22
FAQ: Einspeisung und -ausleitung durch Powerelemente
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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
03.12.2014 www.we-online.de Seite 23
FAQ: Einspeisung und -ausleitung durch Powerelemente
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Agenda
03.12.2014 www.we-online.de Seite 24
Preisvergleich,
thermische Betrachtung
Einführung
WIRELAID
vs
Standard
Design Guide
Thermische Betrachtung
Wissenswertes
Referenzen
Ausblicke
Anwendungsbeispiel
Kostenvergleich
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Thermische Betrachtung (TRM Software © Adam Research)
03.12.2014 www.we-online.de Seite 25
Antrieb Stellmotor 75A
Layout konventionell
ML6, je 70µm Cu Basis
Antrieb Stellmotor 75A
Layout Wirelaid
ML4 Wire@2@3
IL70µm, AL 35µm Cu Basis
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03.12.2014 www.we-online.de Seite 26
Thermische Betrachtung (TRM Software © Adam Research)
Festlegen des Simulationsbereiches nach:
• Stromdichte S
• Elektrische Leitfähigkeit σ (Sigma)
• Wärmeleitfähigkeit λ (Lambda)
• Layer Stack Up
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03.12.2014 www.we-online.de Seite 27
Thermische Betrachtung (TRM Software © Adam Research)
Simulationsergebnis Antrieb
Stellmotor 75A
Layout WIRELAID
Tmax 33,8°C
Reale IR Messung Antrieb
Stellmotor 75A Layout konventionell
Tmax: 35,3°C
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03.12.2014 www.we-online.de Seite 28
Thermische Betrachtung (TRM Software © Adam Research)
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
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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
03.12.2014 www.we-online.de Seite 29
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03.12.2014 www.we-online.de Seite 30
Es folgt eine Kurzumfrage
Welche Aussagen treffen auf WIRELAID zu?
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Agenda
03.12.2014 www.we-online.de Seite 31
Preisvergleich,
thermische Betrachtung
Einführung
WIRELAID
vs
Standard
Design Guide
Thermische Betrachtung
Wissenswertes
Referenzen
Ausblicke
Anwendungsbeispiel
Kostenvergleich
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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
03.12.2014 www.we-online.de Seite 32
Herstellungsschritte
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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
03.12.2014 www.we-online.de Seite 33
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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
03.12.2014 www.we-online.de Seite 34
§
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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
03.12.2014 www.we-online.de Seite 35
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Referenzen: WIRELAID Anwendung Windkraft
Pitchverstellung
Vorher: ML6
Nachher: ML4 wire@2@3
03.12.2014 www.we-online.de Seite 36
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Referenzen: WIRELAID Anwendung Industrie
AC Servo Verstärker
Strombelastung dauerhaft 50 A
Maximal zul. Temperatur 80C°
03.12.2014 www.we-online.de Seite 37
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
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Kfz Komponenten Dauerprüfstand
03.12.2014 www.we-online.de Seite 38
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
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Antriebssteuerung, Ladeelektronik (Abbildung beispielhaft)
03.12.2014 www.we-online.de Seite 39
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
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Ausblick: Passive Entwärmung
03.12.2014 www.we-online.de Seite 40
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
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Ausblick: Powerflex
Eingebettete Drähte durch den „Semiflex-Bereich“
Kombination Knick- und Biegebereich
– Leiten der Signale über Flexbereiche
– Leiten der Ströme über Knickbereiche
03.12.2014 www.we-online.de Seite 41
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.
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03.12.2014 www.we-online.de Seite 42
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit