Technologie

Auf dieser Seite erhalten Sie alle wichtigen Informationen rund um das Thema Powerelemente mit folgenden Themenschwerpunkte:

• Grundlagen der Einpresstechnik (Press-Fit Technologie)
• Leiterplattentechnologie und Leiterplattenaufbauten
• Assembly Methoden
• Auslegerichtlinien Leiterplatten Layout
• Zuverlässigkeit Stromtragfähigkeit und mechanische Stabilität
• Verarbeitungshinweise zur Einpresstechnik
• Verarbeitungshinweise für die SMD, THR und THT Bestückung
• Drehmomente der Powerelemente
• Stromtragfähigkeit
• Verpackungen
• Qualifizierungen

1 Grundlagen der Press-Fit Technologie

Aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften eignen sich v.a. die Powerelemente in Einpresstechnik für den Einsatz unter schwierigen Bedingungen wie z.B. hohen Temperaturschwankungen oder Vibrationen.

Bei der Einpresstechnologie wird die durchkontaktierte Hülse einer Leiterplatte mit dem Pin eines Powerelements elektrisch verbunden. Dabei entsteht eine leistungsfähige, gasdichte elektrische Verbindung mit einem Übergangswiderstand von wenigen μOhm.

Entscheidend für die Qualität der Einpresstechnik ist der elektrische Übergangswiderstand. Je niedriger dieser ist, desto besser ist die Verbindung. Der Übergangswiderstand erzeugt einen Spannungsabfall und damit Wärme, was v.a. bei der Übertragung höherer Ströme problematisch ist.

Um den Übergangswiderstand gering zu halten ist die Auswahl der richtigen Materialien von großer Bedeutung. Die vielfach höhere Leitfähigkeit von Kupfer im Vergleich zu Messing (Pin-Material CuZn39) ermöglicht, dass bei einer Leiterplattendicke von 2,4 mm der Anbindungswinkel einer Ecke des Kontaktstiftes an die Kupferhülse der Leiterplatte nur mindestens 3° betragen muss.

Um den Anbindungswinkel zu erreichen ist es notwendig, dass der zu verpressende Bauteil-Pin eine speziell definierte Diagonale aufweist, die größer ist als die durchkontaktierte Bohrung der Leiterplatte.

Die Praxis hat über die Jahre gezeigt, dass der Anbindungswinkel deutlich größer als die notwendigen 3° ausfällt. Hierbei wird deutlich, dass eine massive Einpresszone eine hervorragende elektrische Verbindung zwischen einem Stromeinspeisungselement und einer Leiterplatte herstellt.

1.1 Ein Beispiel für die hervorragenden Werte der Einpresstechnik

Die massive Einpresstechnik der Würth Elektronik ICS ist eine sehr robuste und zuverlässige Verbindungstechnologie, die einen der besten FIT-Raten aufweist (FIT - Failure in Time).

Beispielsweise liegt bei einem Pin für den Bohrlochdurchmesser 1,60 mm der Übergangswiderstand zur Kupferhülse bei 0,1 mΩ bis 0,2 mΩ. Der Einpresspin kontaktiert dabei über die Hülse direkt mit der Leiterbahn. So hat ein Powerelement mit 36 Einpresspins 144 dieser direkten Verbindungen. Bei Anbindungen über mehrere Lagen der Leiterplatte multipliziert sich deren Zahl. So können Ströme von mehreren 100 Ampere eingespeist werden. Der Engpass liegt in der Regel nicht in der Verbindung mit der Leiterplatte, sondern im Layout oder Anschlussbereich.

1.2 Die Press-Fit Technologie bietet verschiedene Vorteile

• Gasdichte Verschweißung der Kontaktstellen
• Keine thermische Belastung der Leiterplatte durch den Kaltschweißprozess
• Sehr hohe Stromtragfähigkeit durch niederohmige Kontaktstellen
• Sehr hohe Haltekräfte
• Keine Gefahr von kalten Lötstellen
• Keine Flussmittelreste
• Hohe mechanische Belastbarkeit und Vibrationsbeständigkeit
• Extreme Langzeitstabilität gegenüber Umwelteinflüssen
• Beidseitige Bestückung der Leiterplatte möglich

Mit der Press-Fit Technologie können sehr dicke (Hochstrom-) Leiterplatten mit hoher Kupferbelegung einfach und kostengünstig verarbeitet werden. Des Weiteren können durch die Möglichkeit der zweiseitigen Bestückung der Leiterplatte, Baugruppen sehr kompakt ausgelegt werden. Dies ermöglicht kurze Strompfade, die thermische Vorteile bei hohen Strömen bieten. Zudem können Schnittstellen reduziert werden die Gewichts- und Platzeinsparungen zur Folge haben, weshalb die Wartungsfreundlichkeit erhöht wird.

2 Leiterplattentechnologie

Die Leiterplatte ist ein wesentlicher Bestandteil der Leistungselektronik und die direkte Schnittstelle zum Hochstromkontakt. Bei Projekten in der Leistungselektronik erfolgt die Auswahl der Leiterplattentechnologie nach verschiedenen Kriterien, unter anderem sind das:

• Anforderungen an Stromtragfähigkeit und Wärmemanagement
• Erfahrungen der Layouter / Entwickler
• vorhandene Tools und deren Möglichkeiten (ECAD / MCAD Programm, Simulation etc.)
• Kosten bei Prototypen und Serienmengen
• Angebot / Portfolio der Leiterplatten-Vorzugslieferanten
• Erfahrungen Dritter / Referenzen

Dabei ist die verwendete Nomenklatur bei den Leiterplattenherstellern oftmals nicht einheitlich. Beispielsweise werden für eingebettete massive Kupferzuschnitte unterschiedliche Begriffe verwendet. In den nachfolgenden Kapiteln verwenden wir "Cu Inlays" als Sammelbegriff. Zudem ergibt sich bei der Differenzierung zwischen Standard bzw. Dickkupfertechnik kein einheitliches Bild. Hersteller die eine Sondertechnologie anbieten, bezeichnen teilweise Kupferdicken ab 70µm bereits als Dickkupfertechnik, andere bis 200µm als Standard.

2.1 Leiterplattenaufbauten

Als Standard werden Leiterplattenausführungen mit einem Kupferaufbau bis 70µm bezeichnet. Der Aufbau reicht von einer einfachen zweilagigen Leiterplatte bis zu mehrlagigen Multilayer-Platine. Sie werden im Standardmaterial FR4, einem flammenhemmenden Verbundwerkstoff, bestehend aus Epoxidharz und Glasfasergewebe, angeboten. Der TG-Wert reicht von Standard mit TG 135 bis zum Hoch TG 170. Es ist eine etablierte Technologie, die von vielen Herstellern angeboten wird. Aufgrund der hohen Ströme in der Leistungselektronik ist der Aufbau nur eingeschränkt anwendbar.

Von Dickkupfer wird gesprochen, wenn die Kupferkaschierung von 105µm bis zu 400 µm reicht. Auch dieser Aufbau wird vom Standard FR4 mit TG 135 bis zum Hoch TG 170 angeboten. Unsere Erfahrung ist, dass sich ein Großteil der Hochstrom-Projekte mit Kupferkaschierungen von 105µm auf Innenlagen realisieren lassen.
Für diesen Leiterplattenaufbau sind umfangreiche Simulationen und Berechnungen verfügbar und es kann auf eine Vielfalt an Leiterplattenherstellern zugegriffen werden. Wie beim Standard-Aufbau ist das Layout frei gestaltbar und der Aufbau zu mehrlagigen Multilayer-Leiterplatten möglich.

Bei Leiterplattenaufbauten im Wirelaid-Verfahren wird ein Kupferdraht auf die Kupferfolie aufgeschweißt und ins Prepreg eingebettet. Über den Kupferdraht können lokal hohe Ströme geführt werden, allerdings ist die Stromführung aufgrund der Verlegung des Kupferdrahtes begrenzt. Eine direkte Kontaktierung des Kupferdrahtes mittels Einpresstechnik ist nicht möglich.

Beim Einsatz von Kupferinlays werden in eine Standard-Leiterplatte massive Kupferinlays partiell eingebettet bzw. eingepresst. Durch die Kupferinlays können lokal sehr hohe Ströme geführt werden und durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Kupfers wird die Entwärmung optimiert. Kleine, runde Kupferinlays werden zur Entwärmung (Heatsink) unter Bauteilen eingesetzt.
Grundsätzlich erfordert dieser Aufbau einen zusätzlichen Fügeprozess in der Leiterplattenherstellung und die Kupferinlays müssen separat angefertigt werden. Die direkte Kontaktierung des Kupferinlays mittels Einpresstechnik ist möglich, abhängig von den Strukturen kann eine Absprache erforderlich sein.

IMS Leiterplatten weisen einen metallischen Träger (meist Aluminium) getrennt durch ein Dielektrikum unter der Kupferlage auf. Der Aufbau ermöglicht eine effiziente thermische Ableitung der Verlustleistung. Das Leiterbild kann jedoch nur einseitig aufgebracht werden und aufgrund des metallischen Trägers kommen Kontaktierungen mittels Einpresstechnik nicht zum Einsatz.

3 Assembly Methoden zur Leiterplatte

Der Hochstromkontakt ist die direkte Schnittstelle zur Leiterplatte und ein wichtiger Bestandteil der Leistungselektronik. Für die Anwendung muss die Hochstromkontaktierung und die Leiterplattentechnologie optimal aufeinander abgestimmt sein. Hierfür stehen verschiedene Powerelemente zur Verfügung, die unterschiedliche Kontaktierungsmethode zur Leiterplatte ermöglichen.

3.1 Assembly Methoden Übersicht

MPF oder MPFT
Bei der Massive Press Fit oder Massive Press Fit Technologie werden rechteckige oder quadratische massive Pins in eine elektrisch durchkontaktierte Bohrung der Leiterplatte eingepresst. Beim Prozess werden der Pin und hauptsächlich die Leiterplatte deformiert. Durch den Prozess entsteht eine gasdichte Verbindungsstelle über die Länge der Durchkontaktierung in der Leiterplatte mit sehr hoher Stromtragfähigkeit.

FPF oder FPFT
Bei der Flexible Press Fit oder Flexible Press Fit Technologie werden flexible Pins in eine elektrisch durchkontaktierte Bohrung in der Leiterplatte eingepresst. Beim Prozess wird hauptsächlich der Pin verformt. Bei der Pinform gibt es vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten wobei das "Needle Eye" weite Verbreitung findet. Die gasdichte Kontaktierungsstelle beschränkt sich auf den Bereich der Deformierungszone des Pins was die maximale Stromtragfähigkeit einschränken kann.

THT
Beim THT Prozess (Through Hole Technologie) wird der massive Pin in eine elektrisch durchkontaktierte Bohrung der Leiterplatte eingelötet. Beim Wellenlöten wird die komplette Leiterplatte über eine Zinnwelle geführt, wobei beim selektiven Löten die Lötpunkte einzeln mit einem Zinntiegel angefahren werden. Die Lötverbindung weist gegenüber der massiven Einpresstechnik höhere Übergangswiderstände auf, was einen Einfluss auf die zu erreichende Stromtragfähigkeit haben kann. Zudem hat die Lötverbindung in Lebensdauertests im Vergleich zur massiven Einpresstechnik schlechter abgeschnitten.

SMT
Beim SMT Prozess (Surface Mount Technologie) wird das Bauteil auf die Oberfläche der Leiterplatte gelötet. Die Lotpaste wird mittels einer Schablone auf die Leiterplattenoberfläche aufgetragen. Bohrungen für die Bauteile sind nicht vorgesehen. Gegenüber der massiven Einpresstechnik wird das Lötpad in der Regel über Vias an die verschiedenen Lagen der Leiterplatte elektrisch angebunden. Eine SMT Lötverbindung hält den für die Schraubverbindung erforderlichen Drehmomenten stand.

THR
Die THR Technologie (Through Hole Reflow) basiert auf der SMT Technologie. Hierbei werden die Pins in die mit Lotpaste gefüllten durchkontaktierten Bohrungen der Leiterplatte gesetzt. Wie beim SMT Prozess wird die Lotpaste mittels einer Schablone auf die Leiterplatte aufgetragen. Beim Durchlauf durch den Ofen wird die Paste aufgeschmolzen und die Pins in der Bohrung verlötet.

Die Übersicht zeigt zusammenfassend die verschiedenen Kontaktierungsmethoden der Powerelemente in bzw. auf die Leiterplatte. Bis auf die SMT Kontaktierung weisen alle Kontaktierungsmethoden Pins auf, die in die Leiterplatte eingepresst oder eingelötet werden. Für die Leiterplatten die einen IMS (Insulated Metal Substrate) Aufbau aufweisen ist nur die SMT Kontaktierung geeignet, da aufgrund des metallischen Kerns keine Löcher gebohrt werden können.

Typische Oberflächenausführungen bei den Hochstromkontakten sind Zinn und Silber. Bei Lötteilen werden Oberflächenbeschichtungen eingesetzt, die für die Löttechnik optimiert sind und mit Zinn+ und Zinn++ bezeichnet werden. Mit Zinn+ und Zinn++ werden die Lötteile nochmals in die Gruppen THT und SMT / THR unterschieden.

Die Oberfläche der PCB ist häufig in chemisch Zinn oder chemisch Nickel-Gold ausgeführt. Für die Einpresstechnik wird chemisch Zinn empfohlen. Andere Oberflächen wie chemisch Silber oder OSP (Organic Solderability Preservative) im Bereich der Löttechnik sind ebenfalls möglich.

Einpresselemente werden typischerweise als Schüttgut ausgeliefert. Aufgrund der Verarbeitung auf SMT-Linien werden Powerelemente für den SMT-/THR Prozess typischerweise im Blister auf Rolle ausgeliefert. THT Elemente können als Bulk, in Trays oder auch in Blister auf Rolle angeliefert werden.

3.2 Assembly Methoden zum Hochstromkontakt

Für die applikationsseitige Anbindung des Powerelements stehen verschiedene Anschlussmethoden zur Verfügung.
Für Schraubverbindungen steht ein Gewindestift oder eine Gewindebuchse für den Anschluss eines Kabels, einer Stromschiene oder der Befestigung eines Bauteils zur Verfügung. Buchsen ohne Gewinde ermöglichen die Verschraubung durch das Powerelement wie es bei IGBT-Verbindungen üblich ist. Buchsen mit Durchgangsgewinde bauen niedriger auf, da die Höhe bei vorgegebener Gewindelänge geringer ausfallen kann.

Steckbare Lösungen bieten den Vorteil einer schnellen Montage und lassen sich ohne Aufwand wieder lösen. Beim Einsatz von mehreren Steckern auf einer Leiterplatte ist auf die erforderliche Positionstoleranz zu achten. Einige Stecksystem erlauben nur eine Positionstoleranz von 0,1mm, Stecksysteme wie der PowerBasket bis zu 0,6mm.
Beim Einsatz von Gegensteckern ist auf die optimale Auslegung der Spitze des Kontaktes zu achten, was einen Einfluss auf die zu erreichenden Steckzyklen hat. Im Vergleich zu anderen steckbaren Hochstromlösungen sind die Produkte der PowerBasket Familie eine kostengünstige Alternative mit hoher Stromtragfähigkeit.

Schweißanbindungen sind noch nicht weit verbreitet. Wird eine solche Lösung in Betracht gezogen ist die Materialauswahl von Bedeutung. Das im Standardmessing enthaltene Zink stört im Schweißprozess und ist nicht für schweißbare Powerelemente geeignet. Auch das eingesetzte Schweißverfahren ist hierbei zu berücksichtigen.

4 Auslegerichtlinien Leiterplatten Layout

In den folgenden Unterkapiteln werden die Auslegerichtlinien für das Leiterplatten Layout für die Assembly-Methoden Einpresstechnik, THT / THR und SMT betrachtet. Wir empfehlen die Richtlinien für die Layoutauslegung der Leiterplatte zu berücksichtigen, um eine optimale Funktion der Applikation zu gewährleisten.

4.1 Auslegerichtlinien Leiterplatten Layout Einpresstechnik

Die Leiterplatte sollte eine Dicke von >1,5mm ausweisen, um die spezifizierten Einpress- und Haltekräfte zu erreichen. Bei dünneren Leiterplatten muss sichergestellt werden, dass die spezifizierte Haltekraft von mindestens 40N pro Pin erreicht wird.
Powerelemente sollten nicht an den Rand oder in eine Ecke gesetzt werden um eine optimale Stromtragfähigkeit und ein optimales Wärmemanagement zur erreichen. Muss das Powerelement an den Rand der Leiterplatte gesetzt werden, so ist ein Abstand von >1,6mm vom Rand der Leiterplatte bis zur Durchgangsbohrung für den Pin einzuhalten.
Der Abstand zwischen Powerelementen muss so gewählt werden, dass die Führung des für den Einpressvorgang erforderlichen Werkzeuges problemlos möglich ist.
Das Pad für das Powerelement soll vollflächig im Lötstopplack freigestellt werden und nicht nur Einzelpads. Zu SMD Bauteilen ist ein Abstand von >3mm einzuhalten um Beschädigungen empfindlicher Bauteile auszuschließen. Als Abstand einer Leiterbahn zum Pad des Powerelements werden >0,7mm empfohlen.

Generell gilt: Die Bohrungen für die Leiterplatte sind nach Herstellerangaben vom Hochstromkontakt auszuführen.
Bei einer Leiterplattendicke >3,2mm , Leiterplattenmaterialien mit hohem TG-Wert oder einer Gesamtkupferstärke >0,8mm können größere Bohrungen erforderlich sein.

4.2 Auslegerichtlinien Leiterplatten Layout THT und THR

Die Leiterplattendicke sollte > 1,0mm betragen. Das Lötpad wird zwar vollflächig ausgeführt, allerdings sollten im Lötstopplack Stege zwischen den Bohrungen sein. Powerelemente sollten nicht an den Rand oder in eine Ecke gesetzt werden, um eine optimale Stromtragfähigkeit und ein optimales Wärmemanagement zur erreichen. Als Abstand einer Leiterbahn zum Lötpad des Powerelements und zu SMD Bauteilen werden >0,7mm empfohlen. Die Bohrungen für die Leiterplatte sind nach Herstellerangaben auszuführen. Nur der Enddurchmesser der Durchkontaktierung ist relevant. Ein ausreichender Restring um die Bohrungen ist zu berücksichtigen um die Haltekraft zu gewährleisten.

4.3 Auslegerichtlinien Leiterplatten Layout SMT

Wie bei THT und THR Bauteilen gelten für SMD Bauteile angepasste Layout Regeln. Die Leiterplattendicke sollte > 1,0mm betragen. Die Powerelemente sollten nicht an den Rand oder in eine Ecke gesetzt werden um eine optimale Stromtragfähigkeit und ein optimales Wärmemanagement zu erreichen. Als Abstand einer Leiterbahn zum Lötpad des Powerelements und zu anderen SMD Bauteilen werden > 0,7 mm empfohlen. Der Footprint ist nach Herstellerangaben auszuführen. Bei SMD Bauteilen sollte das Lötpad ca. 1 mm größer als der Footprint des Bauteils sein. Vias zur Anbindung der einzelnen Lagen sollten rundum außerhalb der Lötfläche oder innerhalb der Lötfläche als gefüllte und verschlossene gemäß IPC 4761 Typ 7 gesetzt werden. Der Pastendruck ist mit Stegen nach Herstellerangaben auszuführen.

5 Zuverlässigkeit Stromtragfähigkeit

Die zu erreichende Stromtragfähigkeit des Powerelements wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Die wesentlichen Faktoren sind das Layout der Leiterplatte, die vorherrschenden Umgebungsbedingungen auf das Gesamtsystem und die richtige Auswahl des Powerelements. Beim Layout wird die Stromtragfähigkeit maßgeblich durch den zur Verfügung stehenden Kupferquerschnitt beeinflusst, der durch die Leiterbandbreite, die Kupferdicke und den Cu-Ausbau in der Leiterplatte in Form von mehreren Lagen zur Verfügung steht.
Die Positionierung des Powerelements muss so gewählt werden, dass der Stromfluss ohne widerstandserhöhende Engstellen in alle Richtungen möglich ist (Ecken und Ränder vermeiden). Bei SMD Bauteilen müssen Durchkontaktierungen / Vias in ausreichender Anzahl gesetzt werden um den Strom zu verteilen. Bei den Umgebungsbedingungen ist der Einsatztemperaturbereich zu beachten. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen sind höhere Belastungen möglich bevor die Grenztemperatur für das Powerelement erreicht wird. Umgekehrt führt der Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen zu geringeren Belastungsströmen.
Entscheidend für die effektive Stromtragfähigkeit sind die anliegenden Belastungsströme und das Belastungsintervall die zur Erwärmung des Gesamtsystems führen. Kurze Belastungsintervalle mit Peaks um ein Vielfaches der Nennstromes haben keinen Einfluss, wenn die zulässige Grenztemperatur für das Powerelement nicht überschritten wird.
Ein gutes Wärmemanagement kann die mögliche Stromtragfähigkeit weiter erhöhen. Wird die entstehende Stromwärme durch aktive Kühlung reduziert sind höhere Belastungsströme möglich, bevor die zulässige Grenztemperatur erreicht wird.
Die zulässige Grenztemperatur hat einen entscheidenden Einfluss auf die zu erreichende Stromtragfähigkeit. Je höher diese gewählt wird bzw. gewählt werden kann, desto höher kann das Powerelement belastet werden.

Die Zuleitungen sollen ausreichend dimensioniert werden. Sie beeinflussen das Wärmemanagement und dadurch die zu erreichende Stromtragfähigkeit. Auch die Wahl des Powerelements beeinflusst die zur erreichende Stromtragfähigkeit und muss auf die Applikation abgestimmt sein. Ein weiterer Einflussfaktor ist die Assembly Methode. Die Wahl, ob Einpress- oder Lötelement, beeinflusst die zu erreichenden Übergangswiderstände und die Stromverteilung in die Lagen. Des Weiteren minimiert die richtige Materialauswahl die Verlustleistungen.
Ebenfalls haben die Abmessungen des Powerelements mit der Anzahl der Kontaktpunkte und Dimensionierung der Löt- und Anschlussflächen zur Leiterplatte und zur Applikation einen entscheidenden Einfluss auf die zu erreichenden Übergangswiderstände und somit auf die Stromtragfähigkeit.

Bei der Qualifizierung der Powerelemente wird die Strombelastbarkeit in Anlehnung an die DIN EN 60512-5-2 ermittelt und eine Derating-Kurve abgeleitet. Die Derating-Kurve enthält einen Reduktionsfaktor von 0,8 auf den Wert des Stroms der Basiskurve. Die bei Würth Elektronik ICS gemachten Angaben zur Strombelastbarkeit beziehen sich immer auf eine spezifische Testumgebung. Durch eine entsprechende Umsetzung im Gesamtsystem, ist eine wesentlich höhere Stromtragfähigkeit möglich.

5.1 Zuverlässigkeit mechanische Stabilität

Die zu erreichende mechanische Stabilität des Gesamtsystems wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Die wesentlichen Faktoren sind das Layout der Leiterplatte, die vorherrschenden Umgebungsbedingungen auf das Gesamtsystem und die richtige Auswahl des Powerelements. Beim Layout müssen die Vorgaben zum Footprint und zum Pinout entsprechend der Herstellervorgaben eingehalten werden um die optimalen Haltekräfte zu erreichen. Entsprechende Hinweise werden in den Produktdatenblättern gegeben. Um eine ausreichende Festigkeit bei Einpresselementen zu gewährleisten werden Leiterplattendicken ab 1,5mm empfohlen. Die Schaubverbindung muss so dimensioniert werden, dass sie den auftretenden Belastungen stand hält und das Material des Powerelements berücksichtigt wird. Ein Aufschwingen durch Anschlusskabel oder Befestigungselementen zwischen den Powerelementen ist durch Fixierungen zu vermeiden.

Bei den Umgebungsbedingungen ist u.a. der Einbauort zu berücksichtigen. Anwendungen mit dynamischer Belastung belasten die Verbindungstellen stärker als statische Einbaubedingungen. Hierbei ist auch das Belastungsprofil zu berücksichtigen welches am Einbauort vorherrscht. Am Einbauort sollten Fixierungen und Zugentlastungen berücksichtigt werden, um Schwingungen auf die Baugruppe und damit auf die Powerelemente zu minimieren. Bei den Powerelementen haben wir die Anzahl Pins bzw. die Lötflächen so abgestimmt, dass bei allen Assembly Methoden die Haltekräfte ausreichend für den bestimmungsgemäßen Einsatz sind.
Stecksysteme sind empfindlicher gegenüber Schwingungen als Schraubverbindungen. Bei der Qualifizierung der Powerelemente werden verschiedene Tests durchgeführt um die mechanische Stabilität zu ermitteln. So werden die Ein- und Ausdrückkräfte bei den Einpresselementen geprüft sowie die Steck- und Ziehkräfte bei steckbaren Powerelementen. Drehmomenttests bestätigen, dass die spezifizierten Drehmomente vom eingesetzten Material erreicht werden. Scher- und Torsionsbelastungen bestätigen, dass SMD Powerelemente sicher auf der Leiterplatte halten. SMD Hochstromkontakte können mit demselben Drehmoment belastet werden wie eingepresste oder THT gelötete Powerelemente. Zur Überprüfung der mechanischen Stabilität werden verschiedene Prüfungen wie beispielsweise Vibration, mechanischer und thermischer Schock nach diversen Normen durchgeführt.

5.2 Zuverlässigkeit LF Powerelements

Zukunftsweisend hat die Würth Elektronik ICS das bleifreie Produktprogramm LF Powerelements auf den Markt gebracht. Alle zuvor beschriebenen Auslegerichtlinien und Zuverlässigkeitsaspekte gelten auch für die neue und bleifreie Produktlinie LF Powerelements.

6 Verarbeitungshinweise Press-Fit Technologie

Press-Fit Powerelemente von Würth Elektronik ICS werden in die Leiterplatte eingepresst. Löten ist nicht erforderlich, Temperaturstress entsteht gar nicht erst. Der Fertigungsschritt fügt sich einfach in die Prozesskette ein und ist äußerst kostengünstig. Mittels entsprechender Werkzeuge können mehrere Powerelemente gleichzeitig eingepresst werden.

Allgemeine Verarbeitungshinweise

• Beim Prototypen-Aufbau sind keine spezielle Einrichtungen für das Einpressen notwendig, eine einfache Kniehebelpresse genügt.
• Die Leiterplatte muss beim Einpressvorgang gestützt werden, um ein Durchbiegen und / oder eine Beschädigung der Leiterplatte zu vermeiden.
• Das Bohrbild in der Einpressunterlage muss dem Bohrbild vom Produkt entsprechen, wobei die Bohrungen 0,3 mm größer auszuführen sind. Die Bohrungen dürfen nicht angefast werden.
• Die Presskraft muss im 90°-Winkel zur Leiterplatte ausgeführt werden.
• Zwischen Leiterplatte und Sockel ist ein Abstand von 0,1 mm bis 0,5 mm zu empfehlen.
• Die Pins sollten nach dem Einpressen aus der Leiterplatte herausragen, um die Kupferhülse vollständig zu kontaktieren (> 0,2 mm).
• Durchkontaktierungen der Leiterplatte müssen gemäß unseren Spezifikationen ausgeführt sein.
• Bauteile auf der Leiterplatte sollten einen Abstand von ca. 4 mm zum Powerelement haben.
• Die zu verarbeitenden Powerelemente und Leiterplatten sollten Raumtemperatur angenommen haben.

Weitere Verarbeitungshinweise und Merkmale

• Einpresskraft: min. 60 N, max. 250 N pro Pin
• Haltekräfte 60% bis 80% der Einpresskraft
• Einpressgeschwindigkeit 100 - 250 mm/min
• Temperaturbereich: -40°C bis +150°C

6.1 Verarbeitungshinweise für (LF) PowerOne / LF PowerBasket / PowerLamella / (LF) PowerRadSok / PowerFlex

• Bei Powerelementen mit Stift muss der Oberstempel um die Stiftabmessung ausgespart werden. Ein Druck auf den Stift ist auszuschließen.
• Bei Powerelementen mit ebener Oberfläche reicht ein einfacher vollflächiger Oberstempel.
• Bei gewinkelten Powerelement ist der Oberstempel in L-Form auszuführen. Die größere Fläche ist für den Einpressvorgang zu wählen.

6.2 Verarbeitungshinweise (LF) PowerTwo

• Bei den zweiteiligen (LF) PowerTwo Hochstromkontakten muss das Grundelement zuerst eingepresst werden.
• Beim Eindrücken des Eindrückelementes muss das Grundelement gestützt werden, um ein Ausdrücken des Grundelementes zu vermeiden.
• Das Eindrückelement darf nicht über die Anschlussfläche des Grundelements hinausstehen.
• Das Eindrückelement ist nicht zur Kontaktierung von Bauteilen oder zur Stromeinspeisung vorgesehen.

6.3 Verarbeitungshinweise LF PowerPlus 1.0

• Für das Einpressen von LF PowerPlus Elementen müssen geeignete Einpresswerkzeuge verwendet werden.
• Bei LF PowerPlus Elementen mit Stift muss der Oberstempel um die Stiftabmessung ausgespart werden.
• Ein Druck auf die Anschraubfläche und den Gewindestift ist auszuschließen.
• Zwischen Leiterplatte und Pinsockel wird ein Abstand von 0,5 mm empfohlen.
• Bei 3,2 mm Leiterplatten sind die Bohrungen größer auszuführen (Bohrbild beachten).
• Bei doppelseitiger Anwendung muss das kleinste Powerelement zuerst eingepresst werden.

6.4 Verarbeitungshinweise LF PowerPlus 2.0

• Für das Einpressen von LF PowerPlus 2.0 Elementen müssen geeignete Einpresswerkzeuge verwendet werden.
• Bei LF PowerPlus 2.0 Elementen mit Stift muss der Oberstempel um die Stiftabmessung ausgespart werden.
• Ein Druck auf den Gewindestift ist auszuschließen.
• Zwischen Leiterplatte und Pinsockel wird ein Abstand von 0,5 mm empfohlen.
• Bei doppelseitiger Anwendung muss das kleinste Powerelement zuerst eingepresst werden.

6.5 Bohrlochspezifikationen

Bei der massiven Einpresstechnik sind die Leiterplatten entsprechend der Würth Elektronik ICS Press Fit Spezifikation auszuführen. Auf Bohrduchmesser und Kupferdicken ist besonders zu achten. Die optimale Leiterplattendicke liegt zwischen 2,0 mm und 3,2 mm, muss jedoch mindestens 1,5 mm betragen. Erprobte Oberflächen sind chemisch Zinn (bevorzugt), chemisch Silber, chemisch Gold, HAL und bleifrei HAL.

Die Kupferhülsen zur Aufnahme in der Leiterplatten müssen wie folgt ausgeführt sein:

• Bohrdurchmesser und Enddurchmesser variieren je nach Rastermaß und / oder Leiterplattenoberfläche. Die einzuhaltenden Werte sind dem jeweiligen Bohrbild zu entnehmen.
• Der Bohrer muss den nominalen Bohrlochdurchmesser entsprechen.
• Der Cu-Aufbau muss min. 25 μm an jeder Stelle betragen.
• Cu-Mittelwert in der Hülse 30 μm umlaufend, max. 60 μm.
• Die Endkupferstärke der Leiterplatte muss mindestens 70 μm betragen, um diese Abscheidung zu gewährleisten.
• End-Ø mit Toleranzen kann bei Bedarf angepasst werden.
• Produktspezifische Durchkontaktierung müssen beachtet werden.
• Spezifizierte Einpresskräfte müssen eingehalten werden.

7 Verarbeitungshinweise SMD, THR und THT

SMD / THR Powerelemente von Würth Elektronik ICS sind das Ergebnis der konsequenten Weiterentwicklung unserer Produkte im Sinne unserer Kunden. SMD / THR Powerelemente sind in der typischen SMT-Linie verarbeitbar und werden im Infrarotofen oder mit dem Dampfphasensystem gelötet.

7.1 Verarbeitungshinweise SMD / THR

• Lötpadauslegung entsprechend der artikelspezifischen Vorgaben (min. 1 mm größer als Footprint Bauteil).
• Durchkontaktierungen rundum oder gefüllte und verschlossene gemäß IPC 4761 Typ 7.
• Lötschablonenauslegung entsprechend der artikelspezifischen Vorgaben (ca. 0,2 - 0,3 mm kleiner als Lötpad).
• Lotpastendicke 150 μm.
• Lötparameter entsprechend der Lötprofilempfehlung. Aufgrund der Wärmeaufnahme durch die Masse der Bauteile sind eigene Tests zur Festlegung der Parameter durchzuführen.

7.2 Verarbeitungshinweise THR / THT

• Enddurchmesser der Durchkontaktierung entsprechend der artikelspezifischen Vorgaben.
• Nur der Enddurchmesser der Durchkontaktierung ist relevant.
• Lötring 500 μm um die Durchkontaktierung.
• Lötpad nicht vollflächig auslegen.

7.3 Lötfähigkeit

Jedes Produktionslos wird nach der Dip-and-Look-Methode geprüft, die auf IPC J-STD-002C basiert. Alle SMT / THR / THT-Produkte auf dem Markt haben die Eigenschaft, dass die Lötbarkeit mit der Zeit abnimmt. Der Zeitraum hängt von den Transport- und Lagerbedingungen ab. Unter geeigneten Lagerbedingungen empfehlen wir, die Teile mit Zinnoberfläche innerhalb von 24 Monaten ab Herstellungsdatum und die Teile mit Silberoberfläche 12 Monate ab Herstellungsdatum zu bearbeiten.

7.4 Verpackung, Transport und Lagerbedingungen

• Die Powerelemente müssen in der Originalverpackung transportiert und gelagert werden.
• Die Teile müssen vor korrosiver Atmosphäre, Feuchtigkeit, Schmutz oder Beschädigungen geschützt werden.
• Lagerbedingungen +5°C bis +40°C, relative Luftfeuchtigkeit <75%, nicht kondensierend.

7.5 Weitere Verarbeitungshinweise und Merkmale

• Eine Oberflächenverfärbung durch Reflow-Verarbeitung ist zulässig.
• Die Durchkontaktierung bei THR Produkten müssen vor dem Reflow-Löten vollständig mit Lotpaste gefüllt werden. Wellenlöten ist nicht anwendbar.
• THT Produkte werden zum Wellenlöten hergestellt. Das Löten in der SMT-Leitung ist nicht anwendbar.
• Die maximal zulässigen Drehmomente müssen eingehalten werden, um eine mechanische Zerstörung der Elemente und der Leiterplatte zu verhindern.

7.6 Lötprofil SMD / THR

8 Drehmomente

Powerelemente bieten eine großflächige Anbindung und Übertragung von hohen Strömen in Leiterplatten. Um eine mechanische Zerstörung der Elemente zu verhindern sind die max. zulässigen Drehmomente zu beachten. Diese weichen, bedingt durch den Werkstoff, von standardmäßig genutztem Befestigungsmaterial ab. Das maximale Drehmoment liegt nicht in der Einpresszone an, sondern am Muttergewinde bzw. Gewindebolzen.

Mechanische Eigenschaften (Richtwerte)

• Werkstoff: Messing
• Oberfläche: Sn
• Scherfestigkeit: 350 N/mm2
• Zugfestigkeit: 480 N/mm2
• Streckgrenze: 340 N/mm2
• Dehnung: 20%
• E-Modul: 96 kN/mm2
• Torsionsmodul: 32 kN/mm2 (Schubmodul)
• Maximale zulässige Drehmomente*
• Ermittelte Bruchdrehmomente**
  Bei diesen mechanischen Belastungen tritt eine Zerstörung der Gewindestifte auf.
• Bei Drehmomentbelastungen von 1 Nm / Pin tritt eine Zerstörung der Einpresspins auf.
• Im Einpressbereich treten keine nennenswerte Kräfte auf. Bevor die Kaltverschweißung Schaden nimmt, wird der Stift bzw. das Gewinde beschädigt.

All die genannten Eigenschaften machen die Powerelemente in massiver Einpresstechnik von Würth Elektronik ICS zur ersten Wahl. Insbesondere wenn hohe Ströme eingespeist werden und Robustheit bzw. Langlebigkeit gefordert sind.

9 Stromtragfähigkeit

Bei einem Steckverbinder ist eindeutig festgelegt, welche Kontaktpartner (Stift und Buchse) aufeinandertreffen. In der Regel wird ein Kontaktsystem so ausgewählt, dass die Stromtragfähigkeit den angeschlagenen Leitungen entspricht. Kabelquerschnitte und zulässige Ströme sind also mittels Standards definiert. Powerelemente haben keinen Gegenstecker. Der „Gegenstecker“ ist quasi die Leiterplatte mit dem jeweiligen, individuellen Layout.

Folgende Merkmale beeinflussen die Stromtragfähigkeit:

• Leitungsquerschnitte (Leiterbreite und Kupferdicke)
• Anzahl der Lagen
• Positionierung des Hochstromkontaktes
• Wärmemanagement

Auf der Anschlussseite sind die Bedingungen ebenfalls vielfältig. So kann beispielsweise an einem M8 Gewindestift ein Kabelschuh für Querschnitte von 6 bis 95 mm2 aufgelegt werden, eine Kupferschiene aufliegen, oder ein Bauelement, z.B. MEGA-Fuse, angeschlossen sein.

Die Stromtragfähigkeit von Stromversorgungselementen muss daher immer im Kontext des Gesamtsystems betrachtet werden. Die vielfältigen Einflüsse lassen sich nicht auf eine verbindliche Angabe einer Stromtragfähigkeit, die auf die einzelnen Powerelemente bezogen wird, reduzieren. Die bei Powerelementen der Würth Elektronik ICS gemachten Angaben beziehen sich daher immer auf eine rein spezifische Testumgebung. Unter diesen Bedingungen wird eine Aussage zur Stromtragfähigkeit gemacht und eine Derating-Kurve abgeleitet. Dies bedeutet jedoch keineswegs, dass es sich hierbei um die maximal mögliche Stromtragfähigkeit handelt. Richtig umgesetzt, ist eine wesentlich höhere Stromtragfähigkeit möglich.

Die Einpresszone selbst hat mit 100-200 μOhm einen extrem niedrigen Übergangswiderstand, so dass der begrenzende Faktor in der Regel im Layout der angebundenen Leiterbahnen oder der Anbindung externer Zuleitungen an ein eingepresstes Bauteil zu finden ist.
Die Herausforderung bei der Auslegung von Hochstromsystemen liegt im optimalen Zusammenspiel aller Systemkomponenten.
Die Richtwerte für die Vordimensionierung der Powerelemente bei einem System mit einer Leiterplatte mit zwei Lagen und mind. 70 μm Endkupfer und Umgebungstemperatur von 85°C liegen pro Einpressverbindung bei etwa 10 A (Powerelemente mit umlaufenden Pins) bzw. 6 A (Powerelemente mit vollflächigen Pins).

Die tatsächlichen Werte entnehmen Sie bitten den jeweiligen Derating Kurven.

Was ist eine Derating-Kurve?

Derating bedeutet Lastminderung. Im Zusammenhang mit elektromechanischen Verbindungen beschreibt daher eine Derating-Kurve, um wie viel die Stromtragfähigkeit bei gleichbleibender Grenztemperatur mit steigender Umgebungstemperatur sinkt.

In der linken Abbildung sind Derating-Kurven verschiedener PowerOne Powerelemente zu sehen. Die Anbindung auf zwei breiten 70 μm Leiterplattenlagen erlaubt 300 A bei 20 °C Umgebungstemperatur mit einem Element, welches über 20 Pins umlaufend verfügt. Die Voraussetzung ist, dass ein ausreichender Kabelquerschnitt angeschlagen wird. Die Kurven enden bei 125 °C, dem sogenannten Glasumwandlungspunkt von Standard-FR4-Leiterplattenmaterial. Wählt man ein Material mit höherem Wert, z.B. TG170, dann verschieben sich die Kurven zur höheren Temperatur und enden bei ca. 170 °C. Bei 20°C Umgebungstemperatur sind somit wesentlich höhere Ströme als 300 A möglich.

Weitere Derating-Kurven zu anderen Produktgruppen erhalten Sie gerne von uns.

Wo sind die Grenzen der Stromtragfähigkeit?

Auf dem PowerOne-Datenblatt findet sich der Wert 1000 A. Dies soll zum Ausdruck bringen, dass die Einpressverbindung in der Regel nicht der begrenzende Faktor ist. Ein derartig hoher Strom ist durchaus darstellbar. Eine 8-Lagen-Leiterplatte a 105 μm aus TG170-Material mit der entsprechenden Layout-Gestaltung lässt diesen Wert zu.

Beeinflusst die Position im Leiterbild die Stromtragfähigkeit?

Will man hohe Ströme in die Leiterplatte einspeisen, spielt die Positionierung des Powerelements im Layout eine wesentliche Rolle. Die schematische Darstellung zeigt, dass die Belastbarkeit deutlich sinkt, wenn das Element am Rand oder gar in der Ecke einer Leiterfläche positioniert wird. Ein Powerelement mit einem Kantenmaß von 13x13 mm sollte umlaufen mit Kupferfläche ausgeführt werden. Diese wirkt wie ein Kühlkörper.

Welchen Einschalt- oder Impulsstrom verkraften Powerelemente mit massiven Pins?

Klassische Steckverbindungen sind technisch limitiert. Wird ein Steckverbinder stark genug überlastet, kommt es an den Kontaktflächen zwischen Buchse und Stift zu einer Verschweißung. Der Kontakt bzw. die Kontaktoberfläche sind zerstört. Was beim Stecker nicht erwünscht ist, ist beim Einpresskotakt eine Grundeigenschaft. Durch den Einpressvorgang ist eine Kaltverschweißung entstanden. Eine kurzzeitige Überlastung um ein Vielfaches des Nennstroms hat keinen Einfluss auf die Eigenschaften der Einpresszone.

10 Verpackung

Die Anforderungen an die Funktion der Verpackung sind vielfältig. Eine der Hauptfunktionen ist, das Produkt geschützt zum Bestimmungsort zu bringen und ausreichende Informationen zum Inhalt bereitzustellen. Weitere Ziele sind die Schonung der Ressourcen durch optimale bzw. volle Verpackungseinheiten.

Die Standardprimärverpackung für unsere Powerelemente ist der Orsy Karton in der die Powerelemente als Schüttgut geliefert werden. Schwere Powerelemente werden gesetzt in einer Teleskopschachtel geliefert. Weitere Aufmachungen wie die Anlieferung in Trays können individuell auf die Bedürfnisse des Kunden abgestimmt werden.

Powerelemente für die SMD Bestückung können auch in Rollenform in einem ESD Blistergurt, optional mit einem Kapton-Sticker, geliefert werden.

Dies bietet verschiedene Vorteile:

• Die Powerelemente sind in den typischen SMT-Linien verarbeitbar.
• Der Montageprozess ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Bestückung.
• Die Powerelemente können punktgenau positioniert werden.
• Die Standardspulengröße von 330 mm ist ohne Zusatzaufwand auf SMT-Linien verarbeitbar.
• Die ESD gerechte Aufmachung passt zu den Anforderungen im Elektronikbereich.

Beim Transport werden folgende Verpackungsarten eingesetzt:

• Einweg-Verpackung
  Für den einmaligen Gebrauch und zur anschließenden stofflichen Verwertung bestimmt.
• Mehrweg-Verpackung
  Für den Einsatz im Pendelverkehr im VDA-KLT (Kleinladungsträger) und EP/Euro-Frachtpalette.

11 Qualifizierung

Die Robustheit und Zuverlässigkeit der Powerelemente von Würth Elektronik ICS mit der massiven Einpresstechnik wurde in verschiedenen Qualifizierungsprogrammen, Tests und in der Praxis unter Beweis gestellt.

Unsere Produkte sind größtenteils kundenspezifische Lösungen, die für verschiedene Anwendungen und Einsatzbedingungen entwickelt wurden. Diese werden in der Entwicklungs- und Prototypenphase von Kunden ausführlich in der echten Umgebung getestet und durchlaufen mehrere Qualifizierungsprogramme bevor sie in die Serie gehen.

Die Untersuchungen wurden von den unabhängigen externen Messlaboren, von unseren Kunden oder intern in unserem Testlabor durchgeführt. Die folgende Übersicht zeigt einen Auszug aus dem erfolgreich absolvierten Untersuchungen und qualifizierten Einsatzbedingungen, die die Robustheit und Zuverlässigkeit der Einpresstechnik bestätigen.

Internationale Standardnorm für Straßenfahrzeuge

• ISO 16750: Umgebungsbedingungen und Prüfungen für elektrische und elektronische Ausrüstung

Mechanische Tests

• IEC60068-2-6 Schwingen Sinusförmig
• IEC60068-2-27 Schocken und -29 Dauerschocken
• IEC60068-2-32 Freier Fall
• IEC60068-2-64 Schwingen Breitbandrauschen
• IEC60068-2-80 Mixed-Mode Vibrationsprüfung

Klimatische Tests

• IEC60068-2-1 Kälte und -2 Trockene Wärme
• IEC60068-2-11 Salznebel und -52 Salznebel zyklisch
• IEC60068-2-14 Temperaturwechsel
• IEC60068-2-30 Feuchte Wärme zyklisch und -78 konstant
• IEC60068-2-38 Temperatur/Feuchte zyklisch
• IEC60068-2-60 Korrosionsprüfung mit strömendem Mischgas

Normen für Steckverbinder

• IEC 60512-2-2 Durchgangswiderstand
• IEC 60512-2-5 Strombelastbarkeit

Schutzarten durch Gehäuse (IP-Code) nach IEC 60529

Einpressverbindungen IEC 60352-5

Einpresszone

• Bohrdurchmesser
• Kupferdicke der Hülse (Vergleich DK/NDK)
• Haltekräfte als Funktion der Kupferdicke in der Hülse
• Korrelation zwischen Haltekräfte und Stromtragfähigkeit
• Haltekräfte vor und nach der Vibration
• Drehmomente
• Oberflächen der Hülse
• Kaltverschweißung
• Diffusion Cu/Sn

Simulationen

• Stromtragfähigkeit der Einpresszone
• Drehmomentbelastung von Powerelementen

Fertigungstechnologien

• Einpressen vor und nach der Beschichtung der Baugruppe
• Einfluss des Vergusses
• RoHS Konformität

Komplette Baugruppe

• Steck- und Ziehkräfte
• Langzeitstabilität
• Lichtbogenuntersuchungen
• Vergleich Einpresstechnik und Löttechnik