Wirelaid Design Guide (PDF)

DESIGN GUIDE
Version 1.4
Design Guide für
Hochstromlösungen mit WIRELAID®
Hochstromlösungen mit WIRELAID® Technologie
Ihr Nutzen
Die stetig wachsenden Anforderungen an die Leistungs- und Steuerungselektronik in nahezu allen Branchen führen zu neuen Herausforderungen für die Leiterplattentechnologie.
Um hohe Stromstärken bei gleichzeitiger Signalführung sicher über die
Leiterplatte zu den jeweiligen Bauteilen zu führen, bietet die WirelaidTechnik als partielle Hochstromlösung eine kostengünstige Alternative zu Dickkupfer-Technik oder Parallelschaltung über zusätzliche Lagen.
Bei der Drahtschreibetechnik Wirelaid werden Drähte direkt auf die Kupferfolie geschweißt und in die Platine eingebettet.
Dadurch werden aus normalen Leitern, die nur geringe Stromstärken
tragen, Hochstromleiter, die es ermöglichen, Leistung und Logik auf
einer Platine zu realisieren.
Mit UL-Kennzeichnung WE51
(UL 94 V-O) möglich.
Ihre Vorteile
 Geringeres Systemvolumen
 Drähte ersetzen Dickkupfertechnik
 Verbesserte Entwärmung durch höhere
Kupferquerschnitte
 Wegfall von Verbindungselementen
 Reduzierung der Lagenanzahl
 Verbindung von Logik und Leistung auf einer Lage
 Senkung von Systemkosten
 Erleichtertes Löten durch geringere thermische Masse
im Vergleich zur Dickkupfer-Technik
 Dünnere Kupferlagen möglich
 Geringerer Flächenbedarf durch partielles Dickkupfer
2
www.we-online.de
Inhalt
Drahttypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Auswahl der Varianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Herstellungsprozess
...........................5
Design Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3D Design Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Stromtragfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Entwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Kostenvergleich
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Powerelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Drahttypen
F 14
Querschnittsfläche
1,4 x 0,35 mm2
Ø 0,49 mm2
!
Für die Kombination mit Semiflex
stehen 0,1 mm dicke Drähte in unterschiedlichen Breiten zur Verfügung.
3
Nomenklatur
Außenlage
Innenlage
ML6 Wire@1@6
ML6 Wire@2@5
Das Beispiel zeigt
einen Multilayer mit
6 Lagen und Drähten
unter Lage 1 und
Lage 6.
Das Beispiel zeigt
einen Multilayer mit
6 Lagen und Drähten
unter Lage 2 und
Lage 5.
Zur Auswahl der Varianten
gelten folgende Überlegungen:

Komplexere Logikschaltungen verwenden SMD-Bauteile wie Controller und Speicher mit feinen Anschlussrastern. Um die Bestücklagen für
Feinstleiterstrukturen frei zu halten, werden die 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.

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 Drähte ankontaktiert werden können.

Für einfache Schaltungen kann es möglich sein, die Anzahl der Lagen zu reduzieren.
Außenlage?
Innenlage?
4
www.we-online.de
Herstellungsprozess
Am Anfang einer Wirelaid Herstellung werden die Drähte auf der Rückseite der Kupferfolie mit Hilfe des Widerstandsschweißens fixiert. Nachdem
mit dem ersten Schweißpunkt der Draht befestigt wurde, wird dieser bis zum Endpunkt des Drahtes gezogen und abgelängt. Im Folgenden wird das
Ende an die Folie geschweißt.
Die mit Draht bestückte Folie wird nun gedreht und mit dem Draht nach innen durch ein Standardproduktionsverfahren verpresst und bildet dann
die Außenlage der Leiterplatte. Die Drähte werden dabei vollständig eingebettet. Abschließend werden die Leiterstrukturen standardmäßig hergestellt.
Layouterstellung und Dokumentation
Erstellung einer zusätzlichen Gerberlage als Hilfslayer. Die Drähte werden durch runde Blenden mit der Drahtbreite 1,4 mm dargestellt.
Auf der Bottomlage muss zentrisch zum Schweißpunkt ein Pad gesetzt werden, der Draht sollte im Design von einem Kupferleiter abgedeckt sein.
top
wirelaid_bottom
(Hilfslayer)
bottom
0,5 mm: maximaler Überstand Draht /
prozessbedingt durch Abschneider
1,4 mm
1,4 mm
Zentrum Schweißpunkt
Flachdraht im Design
Darstellung Draht in Hilfslayer mit runder Blende
R: 0,7 mm
Flachdraht im Produkt
Durchmesser Schweißpunkt: 1,0 mm
Zentrum Schweißpunkt
5
Design Rules
Dimensionen (Minimum)
F 14
Padgröße
3,5 x 3,0 mm²
LB
Leiterbreite über Draht
1,9 mm
A1
Abstand Drahtmitte zu Drahtmitte bei getrenntem Potential
(unter Berücksichtigung der Pad Positionierung)
1,9 mm +
Isoabstand*
A2
Abstand Drahtmitte zu Drahtmitte bei gleichem Potential
1,8 mm
Smax
Maximale Drahtlänge zwischen den Schweißpunkten
100 mm
Smin
Minimale Drahtlänge zwischen den Schweißpunkten
7,5 mm
L1 x B1
350 x 1400 µm2
Flachdraht im Produkt
Zentrum Schweißpunkt
Flachdraht im Hilfslayer unter bottom
Pad auf bottom
Leiter auf bottom
*Abhängig von der Kupferschichtdicke entsprechend des aktuellen Basic Design Guides der Würth Elektronik auf www.we-online.de
Unterschiedliche Potentiale
Gleiche Potentiale
L1
LB
A2
A1
B1
Smax
Smin
Struktur mit abgewinkelter Drahtführung
135,0°
67,5°
m
,5 m
R: 2
135,0°
67,5°
m
,5 m
R: 2
Isolationsabstand zur Innenlage
Ergibt sich aus kundenspezifischem Lagenaufbau,
den wir gerne für Sie erstellen.
6
www.we-online.de
3D Design Rules
Dimensionen (Minimum)




C
Abstand Kupfer zu Fräskante
0,3 mm
F
Fräskanalbreite
F = 0,4 x (Gesamtdicke Leiterplatte – R) + 200 µm
K
Freistellung Lötstopplack Knickbereich
1,0 mm
R
Restmaterialdicke
Draht- + Kupfer- + Lötstopplackdicke + 150 µm
Drähte müssen rechtwinklig zum Übergangsbereich angeordnet sein.
Für eine kontrollierte Biegung muss zwingend eine passende Biegevorrichtung eingesetzt werden.
Biegeradien ≥ 0,1 mm sind möglich.
Es ist darauf zu achten, dass die gebogenen Teile im Einbauzustand fixiert werden.
K
R
F
C
!
Im Layout bitte berücksichtigen: Die Wirelaid
Drähte dürfen nicht durchgebohrt werden.
7
Stromtragfähigkeit
Die folgenden Grafiken zeigen reale Messwerte unter Laborbedingungen bei Dauerstrom. Sie dienen als Richtwerte für eine erste Auslegung ohne
die Berücksichtigung der Verlustleistung von Bauteilen, Layouteinflüssen und Umgebungsbedingungen wie Orientierung und Gehäuseeinflüssen.
Bei mehr als vier Drähten F14 kann folgendes angenommen werden: pro Draht 12 A bei ΔT = 20 K
Drähte unter der Außenlage
Drähte unter der Innenlage
Kupferfolie 35 µm + Galvanischer Aufbau
Kupferfolie 35 µm
100
100
20
15
90
15
90
10
80
5
70
0
10
80
5
0
0
5
10
15
20
Erwärmung [K]
Erwärmung [K]
70
60
50
40
30
10
15
20
40
30
2xF14 Cu 35 µm unter TOP
1xF14 Cu 35 µm unter L2
2xF14 Cu 35 µm unter L2
20
3xF14 Cu 35 µm unter TOP
10
0
5
50
1xF14 Cu 35 µm unter TOP
20
0
60
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
Strom [A]
#!!"
Kupferfolie 70 µm + Galvanischer Aufbau
100
3xF14 Cu 35 µm unter L2
10
4xF14 Cu 35 µm unter TOP
4xF14 Cu 35 µm unter L2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
#!!" [A]
Strom
Kupferfolie 70 µm
100
15
90
10
90
80
5
80
70
0
70
20
15
0
10
20
30
Erwärmung [K]
Erwärmung [K]
10
60
50
40
30
2xF14 Cu 70 µm unter TOP
0
100
50
40
1xF14 Cu 70 µm unter L2
2xF14 Cu 70 µm unter L2
3xF14 Cu 70 µm unter L2
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
#!!" [A]
Strom
4xF14 Cu 70 µm unter L2
0
100
15
80
0
30
40
50
60
70
80
90
100
#!!" [A]
Strom
15
10
80
10
20
30
Erwärmung [K]
0
50
40
30
1xF14 Cu 105 µm unter TOP
2xF14 Cu 105 µm unter TOP
20
3xF14 Cu 105 µm unter TOP
10
4xF14 Cu 105 µm unter TOP
10
20
www.we-online.de
30
5
70
60
0
20
20
90
5
70
10
Kupferfolie 105 µm
10
Erwärmung [K]
20
10
20
90
8
15
20
4xF14 Cu 70 µm unter TOP
Kupferfolie 105 µm + Galvanischer Aufbau
0
10
5
0
60
3xF14 Cu 70 µm unter TOP
10
0
0
30
1xF14 Cu 70 µm unter TOP
20
5
40
50
60
70
80
90
100
#!!" [A]
Strom
0
10
0
20
30
60
50
40
30
1xF14 Cu 105 µm unter L2
20
2xF14 Cu 105 µm unter L2
3xF14 Cu 105 µm unter L2
10
4xF14 Cu 105 µm unter L2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
#!!" [A]
Strom
Vorgehensweise zur Ermittlung der Stromtragfähigkeit
Versuchsaufbau




Die Leiterplatten wurden in einem weitgehend thermisch isolierten Messrahmen bei einer ausreichend konstanten Umgebungstemperatur von 22 °C gemessen. Die Stromzuführung erfolgte mit
Hilfe von Lötpads. Je fünf Minuten lang wurden die verschiedenen Ströme eingeprägt, sodass
sich ein stabiler Zustand der Temperaturgradienten einstellte. Danach wurde ein Infrarotbild aufgenommen und die Temperatur der Leiterbahnoberfläche festgehalten.
Standard FR4
Leiterplattendicke: 2,2 – 2,5 mm
Kontur: 115 x 80 mm²
Gleichmäßige Kupferverteilung
der Lagen von 40 %
Für die Versuchsreihe wurden die unten abgebildeten Aufbauvarianten verwendet.
Drähte unter der Außenlage
Drähte unter der Innenlage
Cu Top
Cu Top
Cu Layer 2
Cu Layer 2
Kern
Prepreg
Cu Layer 3
Cu Layer 3
Cu Bottom
Cu Bottom
Entwärmung
Eine passive Entwärmung verlängert die Lebensdauer von Leistungshalbleitern.
Mit Wirelaid®
Erreicht wird das durch eine massive Erhöhung der Wärmespreizung direkt unter dem Bauelement z. B. der Bauformen TO2xy oder D²PAK über dort angeschweißte Drähte. Dies passt optimal
zu den SMT-Bauteilen. Nachfolgend das Ergebnis eines praktischen Versuchs:
Man erkennt nach ca. 5 s die Drähte, die
die Wärme des Bauelements ableiten und
dieses dadurch kühlen. Erwärmung des
Chips von Tu = 20° C bis Tmax bei nomineller Verlustleistung (16,5 W / cm²).
•
Schweißpunkt
Draht F14
Entwärmung eines Arrays durch einen gemeinsamen Wirelaid
Draht mit Schweißpunkten unter den Bauelementen.
Links Tmax = 55° C ohne Drähte, rechts Tmax = 38° C mit Drähten. Deutlich Verbesserte
Hot Spot Situation: Eine um 17 K niedrigere Temperatur entspricht nach Arrhenius etwa
einer Verlängerung der Lebensdauer um den Faktor 4!
9
Kostenvergleich
Um die Entscheidung treffen zu können, ob eine „Standard“-Dickkupfertechnik oder Wirelaid für eine Serienproduktion eingesetzt wird, ist es bereits zu einem frühen Zeitpunkt wichtig, eine belastbare Kostenabschätzung oder einen Kostenvergleich zu
haben.
Hier folgt ein Vergleich einer häufig verwendeten Konstruktion mit partieller Hochstromtechnik bei gleicher Stromtragfähigkeit.
6-Lagen: innen 210 µm / außen 70 µm  WIRELAID
Verpressung
Standard
ML6
Basis
WIRELAID
ML6 Wire@2@5
WIRELAID
ML6 Wire@1@6
WIRELAID
ML4 Wire@2@3
35 μm
35 μm
70 μm
35 μm
2116
2116
2116
2116
2116
2116
7628
2116
2116
70 μm
7628
105 μm
210 μm
2116
70 μm
2116
0,2 mm
7628
0,2 mm
7628
210 μm
7628
70 μm
7628
2116
70 μm
2116
7628
2116
0,2 mm
2116
7628
2116
70 μm
70 μm
2116
210 μm
7628
0,2 mm
105 μm
0,2 mm
7628
70 μm
2116
210 μm
2116
7628
2116
2116
70 μm
7628
35 μm
2116
2116
2116
2116
2116
70 μm
35 μm
35 μm
Anzahl der Drähte pro Produktionspanel bis zur Kostengleichheit
1.272
1.304
Einsparung von zwei Lagen
1.404
In allen alternativen Varianten sind die Preisvorteile für partielle Hochstromlösungen mit Wirelaid Technik eindeutig. Der Preisvorteil kommt durch die
Einsparung der 210 µm Kupfer auf den Innenlagen sowie eine deutliche Reduzierung der Material- und Ätzkosten. Erst bei der Benutzung von 1.272
bzw. 1.304 bzw. 1.404 Wirelaid Drähten pro Herstellpanel ist der Vorteil „aufgebraucht“, wobei es sich dann immer noch nicht lohnt, die Standardtechnik einzusetzen, da Wirelaid spürbare Vorteile bezüglich Lötprozess und Gewicht bietet.
Bei der ersten Wirelaid-Variante (2. Grafik von links) mit Drähten auf der Innenlage wird eine weitere Multilayer-Verpressung notwendig. Der Kostenvorteil gegenüber dem Dickkupferaufbau fällt zwar dadurch etwas geringer aus, aber die Konstruktion bietet entscheidende Vorteile für Logiklayout
auf der Außenlage, weil die Wirelaid-Drähte innen platziert sind und die Außenlage noch dazu mit einer dünneren Kupferfolie 35 µm oder gar 18 µm
ausgeführt werden kann. Damit sind dann auch Feinstleiter auf den Außenlagen problemlos möglich.
Weitere Kostenvergleiche sind auf Anfrage verfügbar.
!
10
In der weiteren Herstellung der Leiterplatte vereinfacht
Wirelaid grundsätzlich den Bohrprozess und reduziert
damit die Bohrkosten, weil die zu bohrende Kupferdicke
mehr als halbiert wird!
www.we-online.de
„So möchten wir unseren Kunden neben
den technologischen Vorzügen, auch noch
die Kostenvorteile verdeutlichen“
Andreas Schilpp, verantwortlicher
Produktmanager für Hochstromprodukte bei Würth Elektronik.
Kostenvergleich auf Systemebene
Bei komplexeren Systemen besteht das größte Einsparpotenzial auf der Systemebene. Durch die Kombinationsmöglichkeit von Hochstrom und Logik
auf einer Leiterplatte können Logikmodule integriert werden. Neben einer einfacheren Wirelaid Leiterplatte kann damit das Gesamtsystem
optimiert werden. Nachfolgendes Beispiel soll dies verdeutlichen:
Ausgangssituation:
Eine Multilayerschaltung mit sechs Lagen, jeweils 105 µm Kupfer, übernimmt die Hochstromaufgabe. Die Logik wird auf einem Modul mit Feinleitertechnik realisiert und über Steckverbinder auf die Hauptplatine kontaktiert.
Neue Lösung mit Wirelaid:
Durch die Möglichkeit der Feinstleiterstrukturen auf der Bestücklage kann das Logikmodul komplett integriert werden. Die Verbindungstechnik entfällt ebenso wie alle anderen Systemkosten für das Modul und die „Verheiratung“.
Das einfachere System bringt nun folgende Einsparungen mit sich (Beispielrechnung):
bisherige Lösung
neue Lösung
Leistungsplatine ML6, 105 µm,
Logikmodul & Verbindungstechnik
Wirelaid Leiterplatte
ML6, 35 µm, Wire@1
System
Hauptplatine
6,50 €
5,90 €
Logikmodul
1,00 €
–
Verbindungsteile
2,00 €
–
Einrichtekosten Bestückung
1.000 €
500 €
Pastenschablonen
400 €
200 €
AOI Test
250 €
125 €
Testkosten
500 €
250 €
Rüstkosten pro Auftrag
400 €
200 €
3x
1x
Lager und Logistik
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.
Weitere systembedingte Vorteile resultieren aus der geringeren Kupfermenge und damit geringerer Wärmekapazität:
 Deutliche Vereinfachung des Lötprozesses, Einsparung von Prozesskosten für Sonderlötprozesse, höherer Yield
 Hand- und Selektivlötungen sind nun möglich, ebenso für den Fall der Reparatur
 Spürbare Gewichtsreduktion
11
Powerelemente
Zum Anschluss der Wirelaid Leiterplatten eigenen sich Powerelemente.
In SMD-Technik sind sie vollautomatisch bestückbar, bis 50 A einsetzbar
und bieten sehr hohe Haltekräfte und Drehmomente.
In Press-Fit-Technik sind sie auch für Ströme bis 300 A und bis M10
Anschlussgewinde erhältlich.
Für die Press-Fit-Technologie gelten folgende Spezifikationen:
Bohrlochspezifikation für HAL
für chemische Oberflächen
pezifikation für chemischeBohrlochspezifikation
Oberflächen
[ø 1,60 -0,03]
ø 1,475 ±0,05
min. 25 μm copper max. 60 μm
!
12
min. [ø
0,10
1,60 -0,03]
ø 1,475 ±0,05
min. 0,10
min. 25 μm copper max. 60 μm
Weitere Informationen zu Hochstromanwendungen
in Kombination mit Logik finden Sie hier:
www.we-online.de/power
www.we-online.de
[ø 1,60 -0,03]
ø 1,45 ±0,05
max. 15 μm Sn
min. 25 μm copper max. 60 μm
Bohrlochspezifikation für HAL
1,60 -0,03]
min.[ø0,10
ø 1,45 ±0,05
max. 15 μm Sn
min. 25 μm copper max. 60 μm
Würth Elektronik GmbH & Co. KG
Circuit Board Technology
Salzstr. 21 · 74676 Niedernhall · Germany
Tel: +49 7940 946-0
Fax: +49 7940 946-550000
[email protected]