Die Schaltung dient zur Erzeugung von hochfrequenten Hochspannungsfeldern in der Oberflächenbeschichtung. Dabei galt es diesmal, neben vergleichsweise hohen Strömen welche zu bewältigen waren, auch noch die Anforderungen hinsichtlich Luft- und Kriechstrecken, sowie dem geringen zur Verfügung stehenden Bauraum Rechnung zu tragen. Die Signalverarbeitung erfolgte impedanzgeführt. Mit Basismaterialien höchster CTI Werte(≥600) in Verbindung mit Wirelaid konnte all dies realisiert werden. Angenehmer Nebeneffekt: eine preiswertere Leiterplatte einfacheren Aufbaus im Vergleich zu konventionellen Ansätzen.
» Die Technik entwickelt sich immer mehr vom Primitiven über das Komplizierte zum Einfachen. «
— Antoine de Sainte-Exupéry, französischer Flieger und Schriftsteller (1900-1944)
Die Schaltung dient zur Erzeugung von hochfrequenten Hochspannungsfeldern in der Oberflächenbeschichtung. Dabei galt es diesmal, neben vergleichsweise hohen Strömen welche zu bewältigen waren, auch noch die Anforderungen hinsichtlich Luft- und Kriechstrecken, sowie dem geringen zur Verfügung stehenden Bauraum Rechnung zu tragen. Die Signalverarbeitung erfolgte impedanzgeführt. Mit Basismaterialien höchster CTI Werte(≥600) in Verbindung mit Wirelaid konnte all dies realisiert werden. Angenehmer Nebeneffekt: eine preiswertere Leiterplatte einfacheren Aufbaus im Vergleich zu konventionellen Ansätzen.
Im Avionik Umfeld ist generell höchste Systemzuverlässigkeit erforderlich. Hohe Robustheit und mechanische Stabilität bei gleichzeitig möglichst geringem Schaltungsträgergewicht sind Eigenschaften, welche sich in Kombination eigentlich etwas ausschließen. WIRELAID konnte an dieser Stelle seine Stärken ausspielen. Realisierung der nötigen Stromtragfähigkeit kleiner gleich 40A einer Backplane, bei geringstmöglichem Einsatz von Kupfer und Leiterplattenfläche, trug den Anforderungen schließlich Rechnung. Eingesetzt im modernsten Tankflugzeug des Weltmarktes zeigt Wirelaid auch, dass es nicht immer nur um höchste Ströme und Leistungen gehen muss, um effizient eingesetzt zu werden.
Das Projekt wurde übrigens mit dem Award for Project Excellence ausgezeichnet.
Die Herausforderungen dieser Schaltung brachte WIRELAID nochmals in neue Dimensionen. Das Strom- und Thermomanagement konnte nur in einem relativ kleinen, im Vorfeld bereits fixierten, runden, Bauraum integriert werden. Die dabei zulässigen Temperaturerhöhungen während des Betriebes waren darüber hinaus in engen Grenzen gehalten. Durch die für derartige Anwendungen extrem geringe Anzahl verwendeter Kupferlagen, die Kombination von Power und Signalen jeweils in den äußeren Lagen, konnte ein optimaler Wärmedurchgang durch die Leiterplatte hindurch erzielt werden. Die geforderten Parameter wurden auch im Vollastbetrieb bei 400A klar erreicht.
In die WIRELAID 3D Leiterplatte wird quer zu den im Inneren eingebrachten Drähten eine gerade Nut gefräst. In dieser Nut kann die Leiterplatte bis zu 180° gebogen werden. Aufgrund der Stromführung durch den Knick werden nun teure Steckerverbindungen überflüssig.
In der Anwendung ist WIRELAID 3D der STARR-Flex-Technologie sehr ähnlich. Große Unterschiede zeigen sich jedoch auf der Kostenseite.
Mit Hilfe der WIRELAID 3D-Technologie lassen sich z.B. auch komplett geschlossene Systeme aus einer einzigen Leiterplatte herstellen. Diese geschlossenen Leiterplatten mit den Komponenten im Inneren bieten z.B. folgende Vorteile:
gute EMV-Eigenschaften, Schutz vor unbefugten Eingriffen, Trennung von wärmeerzeugenden Bauteilen oder Batterien außerhalb des Gehäuses.
Auf immer mehr Schaltungen werden immer höhere Ströme verlangt.
Der Querschnitt der Leiterbahnen ist jedoch bedingt durch die Ätzhöhe stark eingeschränkt. Dieses Problem wird sehr oft z.B. durch die teure Dickkupfertechnik gelöst.
Wirelaid power entfaltet hier sein technisches Potenzial. Im Inneren der Leiterplatten werden mittels versilberter Kupferdrähte weitere Verbindungen, die vergleichsweise hohe Ströme transportieren können, hergestellt.
Indem man Leiterbahnen mit Drähten kombiniert, gewinnt man entweder auf den einzelnen Leiterbahnen zusätzlichen Platz, oder man kann die Abmessungen der PCB verkleinern.
In die Leiterplatte integrierte Strommesswiderstände ersetzen das diskrete Bauteil. Dabei werden die sonst bei Wirelaid üblichen Kupfer Flachdrähte durch Flachdrähte aus Widerstandsdraht mit sehr geringem Temperaturkoeffizienten ersetzt.
Das Ergebnis ist ein voll integrierter und während des Herstellungsprozesses abstimmbarer, niederohmiger Widerstand zur indirekten Messung von Strömen genau im Leiter.
Externe Bestückung und deren Logistik entfällt, Routingfläche wird frei und der Shunt ändert seinen Wert durch äußere Einflüsse nicht.
Powerflex ist eine Semiflexible Standardanwendung, die mit Wirelaid kombiniert wird. Dabei bleiben die Semiflex Features erhalten, erweitern sich jedoch um die Eigenschaft der Hochstromfähigkeit, bis ca. 100A, gerade auch im Biegebereich.
Der entscheidende Vorteil entsteht durch die Kombination herkömmlich geätzter Strukturen, etwa für Datenleitungen, und bedrahtete Tracks für Power Supply oder Treiber.
Zusätzliche mechanische Stabilität durch die Flachdrähte im Biegebereich erhöht die Anwendungssicherheit während Montage und Betrieb.
Strombelastung effektiv: 87A, Spitze (10s) 150A
Zulässige Erwärmung: ΔT: + 40 K
Umgebungstemperatur: ca. 25°C
Dickkupfer
Leiterplatten-Anzahl: 1
Lagenanzahl/Cu-Dicke: 6, @ 2 x 400µm Innenlagen und 4 x 35µm Restliche
Reduktion der Kupfer Basisfolien auf 105µm in den Powerlagen
Keine Sondertechnik nötig
Temperaturerhöhung im Betrieb mit Wirelaid max.: 25K
Anpassung der Montage- und Lötlinien nicht mehr erforderlich.
Geringere Kupfermenge
Deutlich preiswertere Herstellung
DRAHTLAYER ANZEIGENStrombelastung effektiv: 33A
Zulässige Erwärmung: ΔT: + 20 K
Umgebungstemperatur: 25°C
Wirelaid PCB
Leiterplatten-Anzahl: 1
Lagenanzahl/Cu-Dicke: 4, @ 4 x 70µm,
Drähte auf einer Außenlage
Kupfer Basisfolien auf 70µm in allen Lagen.
Vermeidung einer 105µm Lösung bei gleicher Fläche
Temperaturerhöhung im Betrieb mit Wirelaid max.: 20K
Nur wenige Drähte erforderlich
Sehr preiswerte Herstellung
DRAHTLAYER ANZEIGENStrombelastung effektiv: 80A
Zulässige Erwärmung: ΔT: + 20 K
Umgebungstemperatur: ca. 50°C
Wirelaid PCB
Leiterplatten-Anzahl: 1
Lagenanzahl/Cu-Dicke: 6, @ 4 x 105µm Innenlagen und 2 x 70µm Außenlagen
Reduktion der Kupfer Basisfolien auf 70µm in allen Lagen.
Reduktion der Lagenanzahl von 6 auf 4 Layer, WIRELAID auf beiden Außenlagen.
Temperaturerhöhung im Betrieb mit Wirelaid max.: <20K
Kleine Gesamtfläche
Komplett SMD fähige Außenlagen in Kombination mit Wirelaid
Einfache Baugruppenherstellung
DRAHTLAYER ANZEIGEN
Strombelastung effektiv: 30A, 350 W
Zulässige Erwärmung: ΔT: + 30 K
Umgebungstemperatur: max. 100°C
Konventioneller Aufbau, Fläche 40 x 50mm2
Leiterplatten-Anzahl: 1
Lagenanzahl/Cu-Dicke: 6, @ 4 x 105µm Innenlagen und 2 x 35µm Außenlagen
Anforderung: Leistungserhöhung auf 600W, 50A bei gleicher Baugröße
Reduktion der Kupfer Basisfolien auf 35µm Außen- und 70µm in den Innenlagen.
Reduktion der Lagenanzahl von 6 auf 4 Layer, WIRELAID auf beiden Innenlagen.
Temperaturerhöhung im Betrieb mit Wirelaid max.: 25K
Leiterplattenfläche gleichbleibend!
Verlustleistung nahezu verdoppelt
Leiterplatte höhere Leistung, preiswerter
DRAHTLAYER ANZEIGENStrombelastung effektiv: Summe 120A
Zulässige Erwärmung: ΔT: + 30 K
Umgebungstemperatur: ca. 80°C
Wirelaid PCB
Leiterplatten-Anzahl: 1
Lagenanzahl/Cu-Dicke: 4, @ 2 x 105µm Innenlagen und 2 x 70µm Außenlagen
Reduktion der Kupfer Basisfolien auf 70µm in den Innenlagen.
Reduktion der Lagenanzahl von 6 auf 4 Layer, WIRELAID auf beiden Innenlagen.
Temperaturerhöhung im Betrieb mit Wirelaid max.: 25K
Kombination mit Einpress-Powerelementen
DRAHTLAYER ANZEIGENStrombelastung effektiv: 65A
Zulässige Erwärmung: ΔT: + 20 K
Umgebungstemperatur: ca. 25°C
Multilayer Aufbau
Leiterplatten-Anzahl: 1
Lagenanzahl/Cu-Dicke: 8, @ 4 x 105µm Innenlagen und 4 x 70µm restlichen Lagen
Reduktion der Kupfer Basisfolien auf 70µm in allen Lagen.
Reduktion der Lagenanzahl von 8 auf 4 Layer, WIRELAID auf einer Innenlage.
Temperaturerhöhung im Betrieb mit Wirelaid max.: 20K
Einsparung von 2 kompletten Kernen
Nur wenige kritische Netze müssen mit Drähten verstärkt werden
Keine Layoutänderung nötig.
DRAHTLAYER ANZEIGENStrombelastung effektiv: 2 x 60A, 2 x 40A, 4 x 16 A
Zulässige Erwärmung: ΔT: + 20 K
Umgebungstemperatur: bis 100°C
Wirelaid PCB
Leiterplatten-Anzahl: 1
Lagenanzahl/Cu-Dicke: 6, @ 6 x 105µm
Reduktion der Kupfer Basisfolien auf 70µm in allen Lagen.
Reduktion der Lagenanzahl von 6 auf 4 Layer, WIRELAID auf beiden Innenlagen.
Temperaturerhöhung im Betrieb mit Wirelaid max.: 20K
Kombination mit lötfreien Einpresselementen für Betriebsenergie und Ausleitungen
Preiswertere Herstellung der Leiterplatte
Geringere Schaltungsfläche
DRAHTLAYER ANZEIGENStrombelastung effektiv: 200A, Spitze (5s) 250A
Zulässige Erwärmung: ΔT: + 35 K
Umgebungstemperatur: ca. 60°C
Konventioneller Aufbau mit Dickkupfer
Leiterplatten-Anzahl: 1
Lagenanzahl/Cu-Dicke: 6, @ 4 x 210µm Innenlagen und 2 x70µm Außenlagen
Reduktion der Kupfer Basisfolien auf in den Innenlagen auf 2 x 105µm
Reduktion der Lagenanzahl von 6 auf 4 Layer, WIRELAID auf beiden Innenlagen.
Temperaturerhöhung im Betrieb mit Wirelaid max.: 20K
Deutlich verbesserte Lötbedingungen
Kein neues Gehäuse nötig (Bahntechnik: bestehendes Gehäuse!)
DRAHTLAYER ANZEIGENStrombelastung effektiv: 120A
Zulässige Erwärmung: ΔT: + 30 K
Umgebungstemparatur: ca. 80°C
WIRELAID PCB
Leiterplatten-Anzahl: 1
Lagenanzahl/Cu-Dicke: 6, @ 4 x 105µm Innenlagen und 2 x 70µm Außenlagen
Reduktion der Kupfer Basisfolien auf
70µm in allen Lagen.
Reduktion der Lagenanzahl von 6 auf 4 Layer,
WIRELAID auf beiden Außenlagen.
Temperaturerhöhung im Betrieb mit
Wirelaid max.: 25K
Anpassung der Montage- und Lötlinien nicht erforderlich.
Leistungserhöhung bei gleichbleibender Baugröße
Keine Layoutänderung nötig.
DRAHTLAYER ANZEIGENStrombelastung Ieff: 75A, Peak (1s): 120A
Zulässige Erwärmung: 15K
Umgebungstemperatur: - 40° bis + 85°C
Wirelaid PCB
Leiterplatten-Anzahl: 1
Lagenanzahl/Cu-Dicke: 4 x 70 µm
Ersatz einer Dickkupferlösung 6 x 105µm, dadurch kleinere Line / Space Ratio
Einfachere Herstellung und geringere Basisschichtdicken
Einsparung eines kompletten Kerns (2 Layer).
Leistungs- und Steuerungselektronik auf einer Leiterplatte.
Kombination mit Powerelementen in Einpresstechnik.
DRAHTLAYER ANZEIGENStrombelastung effektiv: 75A, Peak (10s): 150A
Zulässige Erwärmung: ΔT: + 40 K
Umgebungstemparatur: RT
Wirelaid PCB
Leiterplatten-Anzahl: 1
Lagenanzahl/Cu-Dicke: 6, bei 2 x 400µm Innenlagen und 4 x 105µm restlichen Lagen
Reduktion der Kupfer Basisfolien auf konsequent 35µm.
Reduktion der Lagenanzahl von 6 auf 4 Layer, WIRELAID auf beiden Innenlagen.
Temperaturerhöhung bei Nennstrom max.: 25K
Anpassung der Montage- und Lötlinien nicht erforderlich.
Höhere Leistung bei gleicher Baugröße.
Keine Änderung der machanischen Komponenten wie Gehäuse und Kühlkörper erforderlich.
PCB Layout und Bestückung bleibt unverändert.
DRAHTLAYER ANZEIGEN
Strombelastung effektiv: 50A
Zulässige Erwärmung: ΔT: + 30 K
Umgebungstemperatur: ca. 55°C
Multilayer, Kabellitzen mit Lötverbindungen, Handlötungen
Leiterplatten-Anzahl: 2
Lagenanzahl/Cu-Dicke: 4, @ 4 x 70µm
Integration beider einzelnen LPs zu einer
Komplette Integration von Steuer und Stromnetzen an der Biegestelle
Vermeidung von Handlötstellen
Bestückung beider LPs gleichzeitig möglich
Starke Kostenreduktion
So gut wie keine Layoutänderung nötig.
DRAHTLAYER ANZEIGENStrombelastung effektiv: 12A
Zulässige Erwärmung: ΔT: + 30 K
Umgebungstemperatur: ca.25°C
Wirelaid PCB
Leiterplatten-Anzahl: 1
Lagenanzahl/Cu-Dicke: 4, @ 4 x 35µm
Aus 3 LPs wurde eine einzige durch Wirelaid
Einfaches Handling, Bestückung und Einbau
Keine separaten LP Verbinder nötig
Kostenreduktion rund 20%
DRAHTLAYER ANZEIGEN
Schaltungsträger mit komplettem µP Controller und drahtloser Ansteuerung
Flachste Bauweise nötig, LP Höhe 0,8mm
LEDs stehen senkrecht zur Baugruppe vertikal
Flex-Jumper Lösung
Leiterplatten-Anzahl: 2
Lagenanzahl/Cu-Dicke: 4, @ 4 x 35µm
Extrem niedrige Bauweise möglich, nur wenig höher als die LED Komponenten
LED Signale werden ausschließlich über Drähte übertragen
Nur eine einzige LP
Einfaches Handling und Bestückung
DRAHTLAYER ANZEIGENKomplizierte geometrische Anordnung der RGB Leds
Microcontroller auf der Leiterplatte in fine pitch
Ausführung in Wirelaid PCB
Leiterplatten-Anzahl: 1
Lagenanzahl/Cu-Dicke: 4 x 35µm
Alle einzelnen Elemente des LED Trägers mit Wirelaid 3D verbunden
Keinerlei LP Verbinder, Stecker oder ähnliche Elemente nötig
Helixstruktur durch leichtes biegen an den Tiefenfräsungen stabil und einfach zu erreichen
Einfaches LP handling, Bestückung und Aufbau
DRAHTLAYER ANZEIGENStrombelastung effektiv: 40A
Zulässige Erwärmung: ΔT: + 25 K
Umgebungstemperatur: ca. RT
Konventionell, Multilayer, Antenne separat
Leiterplatten-Anzahl: 2
Lagenanzahl/Cu-Dicke: 6, @ 4 x 70µm Innenlagen und 2 x 35µm Außenlagen
Aufbau unverändert
Separates Antennemodul wird in den LP Rand mit Wirelaid 3d integriert
Nur noch 1 LP
Einfachere Logistik und Bestückung
Keine LP Verbindungselemente nötig
Kosteneinsparung rund 20%
DRAHTLAYER ANZEIGENStrombelastung effektiv bei ED 100%: 50A
Zulässige Erwärmung: 20K
Temperatur Arbeitsumgebung: 0° bis 40°
Ausführung in Wirelaid PCB
Leiterplatten-Anzahl: 1
Lagenanzahl/Cu-Dicke: 4 x 70 µm
Erhöhung der Geräte-Ausgangsleitung von 5,5kW auf 7,5kW bei gleichbleibender Baugröße.
Vorteile bei Herstellung und Kosten durch Wegfall von 2 Leiterplatten und aller Steckverbinder.
Leistungs-, Interface- und Steuerungselektronik auf einer Leiterplatte ohne Steckverbinder.
DRAHTLAYER ANZEIGENStrombelastung maximal: 12A
Zulässige Erwärmung: 10K
Umgebungstemperatur: 0° bis 40°
Wirelaid PCB
Leiterplatten-Anzahl: 1
Lagenanzahl/Cu-Dicke: 4 x 70 µm
Ersatz einer Stanzgitterlösung im Biegebereich.
Einfachere Herstellung und geringere Kosten durch Integration auf eine Leiterplatte und
Einsparung eines Steckverbinders oder Stanzgitters.
Leistungs- und Steuerungselektronik auf einer Leiterplatte.
Platzeinsparung durch Wirelaid Power auf der Bottomseite
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