Die Entwicklung von Leiterplatten ist eine Herausforderung, insbesondere angesichts der immer kleineren Geräte. Die Entwicklung von Hochstrom-Leiterplatten ist noch komplexer, da sie dieselben Hindernisse birgt und zusätzliche, einzigartige Faktoren berücksichtigt werden müssen.
Experten prognostizieren, dass die Nachfrage nach Hochleistungsgeräten im industriellen IoT bis 2030 voraussichtlich zweistellige jährliche Wachstumsraten erreichen wird. Hier sind sieben Schritte zur Optimierung des PCB-Designs in der Hochstromelektronik für diesen Trend.

1. Sorgen Sie für ausreichende Kabelgröße
Die Leiterbahngröße ist einer der wichtigsten Designaspekte für Hochstrom-Leiterplatten. Kupferleitungen werden für kompaktere Designs tendenziell miniaturisiert, was bei höheren Strömen jedoch nicht funktioniert. Ein kleiner Querschnitt kann zu Leistungsverlusten durch Wärmeableitung führen, daher ist eine entsprechend große Leiterbahngröße erforderlich.
Sie können den Querschnitt des Drahtes durch Anpassung zweier Faktoren verändern: der Drahtbreite und der Kupferdicke. Die Balance zwischen diesen beiden Faktoren ist der Schlüssel zur Reduzierung des Stromverbrauchs und zur Beibehaltung der idealen Leiterplattengröße.
Verwenden Sie den PCB-Leitungsbreitenrechner, um herauszufinden, welche Breiten und Dicken die für Ihr Gerät erforderliche Stromart unterstützen. Achten Sie bei der Verwendung dieser Tools darauf, die Leitungsgröße so zu gestalten, dass sie höhere Ströme unterstützt, als Sie für nötig erachten.

2. Überdenken Sie die Platzierung der Komponenten
Die Bauteilanordnung ist ein weiterer wichtiger Aspekt beim Design von Hochstrom-Leiterplatten. MOSFETs und ähnliche Komponenten erzeugen viel Wärme, daher ist es wichtig, sie so weit wie möglich von anderen heißen oder temperaturempfindlichen Stellen zu isolieren. Dies ist bei reduzierten Formfaktoren nicht immer einfach.
Verstärker und Konverter sollten einen angemessenen Abstand zu MOSFETs und anderen Heizelementen einhalten. Es mag zwar verlockend sein, eine Hochleistungszone am Rand zu platzieren, dies ermöglicht jedoch keine gleichmäßige Temperaturverteilung. Stattdessen werden sie in geraden Linien über die gesamte Platine verteilt, um die Energie zu speichern und die Wärme gleichmäßiger zu verteilen.
Indem Sie sich zuerst den einflussreichsten Bereichen widmen, können Sie die idealen Komponenten leichter bestimmen. Bestimmen Sie zunächst den idealen Standort für die Hochtemperaturkomponenten. Sobald Sie wissen, wo Sie sie platzieren möchten, können Sie die restlichen Komponenten verwenden, um die Lücken zu füllen.

3.Optimieren Sie das Wärmeableitungsmanagement
Auch Hochstrom-Leiterplatten erfordern ein sorgfältiges Wärmemanagement. Für die meisten Anwendungen bedeutet dies, die Innentemperatur unter 130 Grad Celsius (der Glasübergangstemperatur von FR4-Laminaten) zu halten. Eine optimierte Bauteilplatzierung kann hilfreich sein, aber die Maßnahmen zur Wärmeminimierung müssen hier enden.
Natürliche Konvektionskühlung kann für kleinere Leiterplatten in der Unterhaltungselektronik ausreichend sein, reicht jedoch möglicherweise nicht für Anwendungen mit höherer Leistung. Mechanische Radiatoren können erforderlich sein. Aktive Kühlung wie Lüfter oder Flüssigkeitskühlungssysteme um die MOSFETs herum ist ebenfalls hilfreich. Einige Gerätedesigns sind jedoch möglicherweise nicht groß genug für herkömmliche Radiatoren oder aktive Kühlung.
Für kleinere, aber leistungsstarke Leiterplatten sind Wärmeableitungsbohrungen eine sinnvolle Alternative. Ein hochleitfähiges Metall mit einer Reihe von Löchern leitet die Wärme von MOSFETs oder ähnlichen Komponenten ab, bevor sie empfindlichere Bereiche erreicht.

4.Verwenden Sie die richtigen Materialien
Die Materialauswahl ist von großem Nutzen, wenn es darum geht, das Wärmemanagement zu optimieren und sicherzustellen, dass die Komponenten höheren Strömen standhalten. Dies gilt für Leiterplattenkomponenten und Substrate.
Obwohl FR4 das gängigste Substrat ist, ist es nicht immer die beste Wahl für Hochstrom-Leiterplatten. Leiterplatten mit Metallkern können ideal sein, da sie die Isolierung und Kosteneffizienz von Substraten wie FR4 mit der Festigkeit und Temperaturbeständigkeit hochleitfähiger Metalle vereinen. Alternativ bieten einige Hersteller spezielle hitzebeständige Laminate an, die Sie in Betracht ziehen könnten.
Auch hier sollten Sie nur Komponenten mit hohem Wärmewiderstand verwenden. Manchmal bedeutet dies die Wahl hitzebeständigerer Materialien, in anderen Fällen die Verwendung dickerer Komponenten aus demselben Material. Welche Option die beste ist, hängt von der Größe Ihrer Leiterplatte, Ihrem Budget und den verfügbaren Lieferanten ab.

5.Verbessern Sie den Qualitätskontrollprozess
Die Zuverlässigkeit von Hochstrom-Leiterplatten hängt auch von der Fehlersuche in der Produktion ab. Wenn im Herstellungsprozess Fehler, die seine Vorteile zunichtemachen, nicht erkannt und behoben werden können, führen die oben genannten vier Designentscheidungen nicht zu wesentlichen Verbesserungen. Zuverlässigere Qualitätskontrollen für Prototypen sind ebenfalls wichtig.
Die Verwendung der richtigen Werkzeuge zur Bewertung der Leiterplattenqualität ist eine der wichtigsten Überlegungen in diesem Bereich. Digitale optische Komparatoren als Vorlagen und Abdeckungen sind herkömmlichen Methoden überlegen, da sie sich mit der Zeit dehnen und verformen, was ihre Zuverlässigkeit beeinträchtigt. Sie sollten auch leicht automatisierbare Werkzeuge in Betracht ziehen, um das Risiko menschlicher Fehler zu minimieren.
Unabhängig von den verwendeten Methoden und Techniken ist die Erfassung aller Defekte entscheidend. Mit der Zeit können diese Daten Trends bei der Problementstehung aufzeigen und so zuverlässigere Änderungen am PCB-Design ermöglichen.

6.Herstellbarkeitsdesign
Ein ähnlicher, aber oft übersehener Faktor beim Design von Hochstrom-Leiterplatten ist die Gewährleistung einer einfachen Herstellung. Wenn Produktionsfehler so häufig sind, dass das Gerät die Spezifikationen auf dem Papier selten erfüllt, spielt es keine Rolle, wie zuverlässig die Leiterplatte theoretisch ist.
Die Lösung besteht darin, übermäßig komplexe oder komplizierte Designs so weit wie möglich zu vermeiden. Berücksichtigen Sie beim Entwurf von Hochstrom-Leiterplatten Ihren Herstellungsprozess und überlegen Sie, wie diese Arbeitsabläufe aussehen und welche Probleme auftreten können. Je einfacher Sie fehlerfreie Produkte herstellen können, desto zuverlässiger sind sie.
Dieser Schritt erfordert eine enge Zusammenarbeit mit den Produktionsbeteiligten. Wenn Sie die Fertigung nicht intern durchführen, beziehen Sie Ihre Produktionspartner in die Entwurfsphase ein, um deren Input zu möglichen Problemen bei der Herstellbarkeit zu erhalten.

7. Nutzen Sie die Technologie zu Ihrem Vorteil
Neue Planungs- und Produktionstechniken können die Abwägung dieser Aspekte erleichtern. 3D-Druck bietet mehr Designflexibilität und ermöglicht so komplexere Leiterplattenlayouts ohne Produktionsfehler. Dank seiner Präzision können Sie außerdem sicherstellen, dass die Kupferverdrahtung einer Kurve statt einem rechten Winkel folgt, um ihre Länge zu reduzieren und den Stromverbrauch zu minimieren.
Künstliche Intelligenz ist eine weitere lohnende Technologie. KI-PCB-Tools können Komponenten automatisch platzieren oder potenzielle Designprobleme hervorheben, um Fehler in der realen Welt zu vermeiden. Ähnliche Lösungen können verschiedene Testumgebungen simulieren, um die Leistung von Leiterplatten zu bewerten, bevor physische Prototypen hergestellt werden.

Hochstrom-PCB-Design erfordert Vorsicht
Die Entwicklung einer zuverlässigen Hochstrom-Leiterplatte ist nicht einfach, aber nicht unmöglich. Mit diesen sieben Schritten optimieren Sie Ihren Designprozess und entwickeln effizientere Hochleistungsgeräte.
Mit der zunehmenden Verbreitung des industriellen Internets der Dinge werden diese Überlegungen noch wichtiger. Ihre Berücksichtigung ist der Schlüssel zum anhaltenden Erfolg in der Zukunft.