Wie Hochstromanschlüsse sicher Strom liefern und gleichzeitig die Montagezeit und die Verlustleistung reduzieren können

Entwickler von Industrieanlagen nutzen in ihrem Streben nach Effizienz zunehmend die Vorteile einer elektronischen Steuerung. Mit der elektronischen Steuerung kommt der Bedarf an immer kleineren Formfaktoren, um Platz zu sparen und Kosten zu senken. Da die Formfaktoren jedoch immer kleiner werden, stehen die Entwickler vor wachsenden Herausforderungen in Bezug auf Verbindungen mit hoher Leistung. Steckverbinder und Netzleitungen von Hochstromplatinen benötigen dicke, hochbelastbare Verbindungen und können daher nicht im gleichen Maße schrumpfen wie digitale Elektronik. Außerdem müssen diese Hochstrom-Verbindungspunkte mit dem Herstellungsprozess der Leiterplatte verträglich sein, egal ob es sich um Oberflächenmontage oder Durchsteckmontage handelt. Diese Probleme müssen bewältigt werden, während gleichzeitig immer knappere Budgets und kürzere Markteinführungszeiten zu bewältigen sind.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, müssen Entwickler von Hochleistungselektronik ein besonderes Augenmerk auf das Design und die Auswahl von Leiterplatten-Hochleistungsanschlüssen und deren Montage legen. Auch Hochstromanschlüsse können zusätzliche Montagezeit erfordern, um eine feste Lötverbindung zu gewährleisten.

In diesem Artikel wird kurz auf die Probleme im Zusammenhang mit Hochleistungsanschlüssen eingegangen. Es wird gezeigt, wie Entwickler von Hochleistungsplatinen von speziellen Hochstromanschlüssen profitieren können. Am Beispiel von Lösungen aus dem Hause Würth Elektronik wird gezeigt, wie geeignete Anschlüsse zuverlässig hohe Ströme zwischen Systemen liefern und wie sie die automatisierte Montage bei hoher mechanischer Stabilität und sehr geringem Anschlusswiderstand beschleunigen können.

Wie Anschlüsse Leistungsverluste einbringen

Entwickler von Industriesystemen müssen häufig hohe Ströme im Bereich von Hunderten von Ampere liefern und steuern. Oft befinden sich die Hochstromanschlüsse, die das System mit Strom versorgen, auf der gleichen Leiterplatte wie die digitale Steuerelektronik. Mit zunehmender Integration der Steuerungshalbleiter verringert sich auch die Fläche der Leiterplatte. Dieser schrumpfende Formfaktor stellt die Entwickler von Hochleistungselektronik vor drei Probleme.

Das erste Problem ist die Berücksichtigung der Umweltextreme in Bezug auf Temperatur, Feuchtigkeit und Gase auf der Leiterplattenelektronik. Wenn Anschlüsse nicht luftdicht sind, können Gase als Folge industrieller Prozesse Hochstromanschlüsse oxidieren oder korrodieren, was zu ineffizienten Verbindungen führt, die zu Leistungsverlusten oder Gerätefehlfunktionen führen können. Diese Probleme können schwer zu diagnostizieren sein und können manchmal auch durch die sorgfältigste Sichtprüfung nicht erkannt werden.

Das zweite Problem ist der Umgang mit dem Wirkungsgrad der Hochstromanschlüsse. Bei steigenden Leistungen kann schon die kleinste Erhöhung des Anschlusswiderstandes zu einem Leistungsverlust mit spürbarer Wärmeentwicklung führen. Nach dem Ohm'schen Gesetz kann eine 25,0 Ampere (A) Klemme mit einer schlechten Lötstelle, die in einen Widerstand von nur 0,050 Ohm (Ω) resultiert, einen Verlust von (25,0² x 0,050) = 31,25 Watt an der Verbindungsstelle erzeugen. Neben den Verlusten kann die entstehende Wärme die Lebensdauer der in der Nähe befindlichen Elektronik verringern. Im schlimmsten Fall kann die Hitze Verbrennungen oder einen Brand verursachen.

Das dritte Problem besteht darin, sicherzustellen, dass die Hochstromanschlüsse mit dem Fertigungsverfahren kompatibel sind, mit dem die Leiterplatte bestückt wird. Bei der Herstellung von Leiterplatten in hohen Stückzahlen wird die Oberflächenmontage für alle Komponenten bevorzugt. Im Vergleich zur Durchkontaktierung kombiniert die Oberflächenmontage reduzierte Montagezeiten mit geringeren Arbeitskosten bei gleichbleibender Qualität. Oberflächenmontierte Leiterplattenanschlüsse weisen jedoch Grenzen hinsichtlich der Strombelastbarkeit eines einzelnen Anschlusses auf. Durchkontaktierte Reflow-Leiterplattenanschlüsse können problemlos mehr Strom führen als oberflächenmontierte Anschlüsse und bieten gleichzeitig eine sehr hohe mechanische Stabilität. Allerdings kann eine Durchkontaktierungs- oder Mischplatinen-Bestückungslinie im Vergleich zur Oberflächenmontage die doppelte Stellfläche sowie zusätzliche Arbeits- und Bestückungszeiten erfordern, was diese Bestückungsmethode teurer macht.

Unabhängig vom Montageprozess muss die Qualität aufrechterhalten werden, und für eine Montagelinie bedeutet dies, dass der Schwerpunkt auf der Reduzierung von Fehlern liegt. In dieser Hinsicht kann die Durchgangsbohrung für Hochstromanschlüsse zuverlässiger sein, da die Beschaffenheit des Anschlusses es weniger wahrscheinlich macht, dass er während des Reflow-Lötprozesses herausspringt. Da oberflächenmontierte Hochstromanschlüsse größere Grundflächen benötigen, ist es wichtig, dass die Lötpaste gleichmäßig über die gesamte Lötfläche aufgetragen wird. Wenn sie ungleichmäßig ist, erwärmt sich die Fläche beim Aufschmelzen des Lötzinns ungleichmäßig, was dazu führt, dass sich ein Ende des Anschlusses anhebt, was zu einem Tombstoning des oberflächenmontierten Bauteils führt.

Leistungseffiziente Hochstromanschlüsse

Um den möglichen Problemen mit Hochstromanschlüssen zu begegnen, hat Würth Elektronik die Produktlinie der REDCUBE-Anschlüsse entwickelt, die hohe Ströme mit flexiblen Fertigungsmöglichkeiten unterstützen. Die Anschlüsse haben ein niedriges Profil, was eine schnellere Wärmeableitung an die Umgebung ermöglicht und gleichzeitig einen stärkeren Luftstrom in den unmittelbaren Bereich erlaubt, wodurch die Kühlung der umgebenden Elektronik verbessert wird. REDCUBE-Anschlüsse sind für einen extrem niedrigen Lötstellenwiderstand ausgelegt und können daher bis zu 500 A bei sehr geringer Verlustleistung und Wärmeentwicklung liefern.

Die Produktlinie unterstützt die Platinen-Fertigungsprozesse Oberflächenmontage, Durchkontaktierung und Einpressen. Dies ermöglicht es einem Entwickler von Leiterplatten für industrielle Systeme, Anschlüsse von einem einzigen Lieferanten zu standardisieren, macht sie bei verschiedenen Fertigungsprozessen leicht visuell zu identifizieren und vereinfacht den Einkauf.

Oberflächenmontierbare Hochstromanschlüsse

Für die Kompatibilität mit der SMD-Leiterplattenfertigung können Entwickler die Industrieanschlüsse REDCUBE SMD von Würth verwenden. Diese Anschlüsse unterstützen die vollautomatische Oberflächenmontage und legen Wert auf minimale Wärmeentwicklung. Die Anschlüsse unterstützen bis zu 85 A für elektrische Board-zu-Board-Verbindungen.

Eine Beispielkomponente, der Anschluss 7466003R, hat ein M3-Gewinde und ist für 50 A bei 20 °C ausgelegt (Abbildung 1). Der Anschluss hat eine kleine Grundfläche mit einem Durchmesser von 8,3 Millimeter (mm). Die kreisförmige Grundfläche verbessert die Fertigungsausbeute, indem sie durch die gleichmäßige Gewichtsverteilung des Anschlusses das Tombstoning reduziert und scharfe Ecken, die möglicherweise keine Lötpaste aufnehmen, eliminiert. Das Gehäuse des REDCUBE SMD 7466003R besteht aus hochfestem Messing mit einer Verzinnung und ist für Temperaturen von -55 °C bis +150 °C ausgelegt.

Abbildung 1: Der industrielle Anschluss REDCUBE SMD 7466003R hat eine kleine Grundfläche mit einem Durchmesser von 8,3 mm und ist für die sichere Übertragung von bis zu 50 A ausgelegt. Er wird mit einer angebrachten orangefarbenen Mylar-Lasche geliefert, die von automatischen Bestückungsautomaten vor der Bestückung der Leiterplatte entfernt wird. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Um eine optimale Verbindung zu gewährleisten und gleichzeitig die Wärmeentwicklung zu reduzieren, wird empfohlen, das M3-Gewinde mit einer Schraube/einem Anschluss zu verbinden, die ebenfalls verzinnt sind. Dadurch ist der 7466003R mit den meisten Leistungsanschlüssen und Schrauben kompatibel. Eine orangefarbene Mylar-Lasche schützt die zu lötende Seite vor der Montage vor Verunreinigungen und Fingerabdrücken. Dies trägt dazu bei, eine gute Lötverbindung bei der Oberflächenmontage mit minimalem Anschlusswiderstand zu gewährleisten. Es wird außerdem empfohlen, vor dem Zusammenstecken des Anschlusses mit einer verzinnten Schraube das M3-Gewinde und die Anschlussoberseite vor jeglichen Verunreinigungen zu schützen, die den Steckwiderstand einer eingesetzten Schraube und Lasche beeinträchtigen könnten. Dazu gehört auch, dass Sie die Finger von der Oberseite des Gewindes fernhalten.

Leiterplattenanschlüsse für die Durchkontaktierung

Für industrielle Anwendungen, die durchkontaktierte Bauteile erfordern, bietet Würth die Familie REDCUBE THR an. Diese unterstützen die automatisierte Reflow-Bestückung von Leiterplatten mit Durchkontaktierungen. So ist z. B. der 74651195R ein durchkontaktierbarer, gerader Schraubanschluss mit 9 Pins und einem verzinnten M5-Gewinde, der zur Aufnahme einer mit einer Mutter gesicherten Kabellasche dient (Abbildung 2). Er bietet einen Betriebstemperaturbereich von -55 °C bis +150 °C und ist für 85 A bei 20 °C ausgelegt.

Abbildung 2: Der REDCUBE THR 74651195R ist für 85 A bei 20 °C ausgelegt und bietet einen geraden M5-Schraubanschluss. Die neun Leiterplattenstifte bieten mechanische Stabilität gegen Scher- und Zugkräfte. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Die neun Pins des 74651195R sind in einem 3x3-Raster angeordnet, das auf optimale Lötbarkeit sowie mechanische Stabilität gegen Zug- und Scherkräfte ausgelegt ist. Der 74651195R besteht aus einem massiven Stück verzinntem Messing, wodurch er im Vergleich zu gestanzten Klemmen eine höhere Strombelastbarkeit und eine bessere Drehmomenttoleranz aufweist. Diese Konstruktion macht den 74651195R zu einer guten Wahl für industrielle Anwendungen mit hoher Leistung, bei denen das angeschlossene Kabel aus jedem Winkel gezogen werden kann.

Der 74651195R ist flach und hat eine Gesamthöhe über der Leiterplatte von 10 mm bei einer Schraubenlänge von 7 mm. Er unterstützt standardmäßige M5-Kabellaschen und Kontermuttern mit kurzem Gewinde, wodurch der Luftstrom um den Anschluss herum leicht möglich ist, um die Kühlung zu verbessern.

Einpressanschlüsse für sehr hohe Ströme

Für Anwendungen bei der Stromversorgung und in Industrieanlagen, die sehr hohe Ströme erfordern, hat Würth die Produktlinie REDCUBE PRESS-FIT entwickelt, die für bis zu 500 A ausgelegt ist. Diese Anschlüsse kommen ohne Reflow- oder Wellenlöten aus. Stattdessen wird der Anschluss mechanisch in verlötete Leiterplattenlöcher gepresst. Durch die Reibung, die beim Einpressen des Anschlusses in die Leiterplattenlöcher entsteht, wird eine gasdichte Kaltschweißverbindung mit einem Kontaktwiderstand von nur 200 Mikroohm (µΩ) hergestellt.

Ein Lösungsbeispiel ist der Schraubanschluss 7461090 mit einem M8-Gewinde (Abbildung 3). Er ist für 350 A bei 20 °C ausgelegt und bietet eine Betriebstemperatur von -55 °C bis +150 °C. Um diesen Strom zu bewältigen, bietet der 7461090 die hohe Anzahl von 20 Einpressstiften, die keine Wärmelötverfahren erfordern. Bei der Einpressmethode werden die gleichen Leiterplattenlöcher wie bei durchkontaktierten Bauteilen verwendet, wodurch Probleme mit der Lötbarkeit, wie z. B. kalte Lötstellen, vermieden werden. Außerdem müssen die 20 Einpressstifte nicht wie gelötete Durchkontaktierungen über die Leiterplatte hinausragen und können sogar innerhalb der Leiterplatte ohne Lötfahnen enden. Dadurch wird ein versehentlicher Kurzschluss am Hochstromanschluss unter der Leiterplatte verhindert und die Systemsicherheit erhöht.

Abbildung 3: Der industrielle Schraubanschluss REDCUBE PRESS-FIT 7461090 wird ohne Wellen- oder Reflow-Lötverfahren in Leiterplattenlöcher eingepresst. Sein einzigartiges Design bietet einen sehr geringen Kontaktwiderstand, so dass er bis zu 350 A handhaben kann. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Die Höhe des verzinnten M8-Gewindes beträgt 13,5 mm. Für eine maximale Stromabgabe bei minimalem Kontaktwiderstand sollte eine verzinnte Schraube so gewählt werden, dass die montierte Schraube durch die Kabellasche geht und die maximale praktische Länge durch den REDCUBE-Anschluss geführt wird, ohne mit der Leiterplatte in Kontakt zu kommen. Dadurch wird die maximale Kontaktfläche über die gesamte Schraubanschlusslänge erreicht.

Vor der Montage ist es wichtig, dass keine Verunreinigungen oder Finger mit dem Gewinde oder der Oberseite des Anschlusses in Berührung kommen, da selbst der kleinste Widerstand durch Verunreinigungen bei 350 A eine gefährliche Menge an überschüssiger Wärme erzeugen kann.

Steckanschlüsse für einfaches Verbinden und Trennen

Manchmal muss ein industrielles System mit hoher Leistung einfach umkonfiguriert und zwischen verschiedenen Quellen umgeschaltet werden können. Für diese Anwendungen bietet Würth die Einpress-Industrieanschlüsse REDCUBE PLUG an. Es handelt sich hierbei um Einpressanschlüsse, die den Komfort eines schraubenlosen Anschlusses bieten und bis zu 120 A unterstützen können.

Der REDCUBE PLUG 7464000 kann beispielsweise bis zu 120 A bei 20 °C und einen Betriebstemperaturbereich von -45 °C bis +125 °C handhaben (Abbildung 4). Dieser REDCUBE PLUG besteht aus einer verzinnten Kupferlegierung, die von einem roten, glasfaserverstärkten Kunststoffgehäuse umschlossen ist. Zum Einstecken eines kompatiblen Steckers in die Buchse mit 6,2 mm Durchmesser muss das Gehäuseoberteil manuell in Richtung der Leiterplatte gedrückt werden. Dadurch wird die Buchse vollständig freigelegt, so dass ein verzinnter Stecker leicht eingesteckt werden kann. Durch Loslassen des Gehäuseoberteils wird der Stecker verriegelt.

Abbildung 4: Die Steckerbuchse REDCUBE PLUG 7464000 ist ein Einpressanschluss, der für 120 A bei 20 °C ausgelegt ist. Er ermöglicht ein einfaches Verbinden und Trennen von Hochstromsteckern und eignet sich daher für rekonfigurierbare Stromversorgungslösungen. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Die Steckerbuchse REDCUBE PLUG 7464000 ist auch eine gute Lösung für Bereiche mit wenig Platz in der Höhe, die das Anbringen einer Schraube oder Mutter erschweren würde. Durch die leuchtend rote Farbe ist der Stecker auf einer überfüllten Leiterplatte leicht zu erkennen. Er hat 12 eng beieinander liegende Einpressstifte, die in einem 3x4-Raster angeordnet sind. Der 7464000 bietet einen maximalen Kontaktwiderstand von 1 mΩ und ist damit für sehr hohe Ströme geeignet.

Fazit

Mit der zunehmenden Integration von Designs müssen die Entwickler von Hochleistungssystemen einen Ausgleich zwischen effizienter, verlustarmer Leistungsabgabe und einfacher Montage schaffen. Das macht die Auswahl der passenden industriellen Hochstromanschlüsse besonders wichtig. Entwickler müssen den Prozess der Leiterplattenbestückung, die Stromstärke, die ein Anschluss sicher verarbeiten kann, und die Methode der Leiterplattenbefestigung kennen.

Wie gezeigt, ermöglichen industrietaugliche Anschlüsse mit flexiblen Montageoptionen dem Entwickler die Standardisierung auf eine Produktlinie, was den Einkauf und die Interoperabilität vereinfacht. Dadurch können industrielle Systeme sicher Strom liefern und gleichzeitig die Fertigungsausbeute durch Minimierung von Montagefehlern erhöhen, was zu schnelleren Montagezeiten und geringeren Kosten führt.