Aufbau- und Verbindungstechnik Hochstrom-Kontaktelemente für Leiterplatten und Busbars

Von Franz Kajetan Broch *

Ströme mit 600 oder gar 1000 A sicher auf den Schaltungsträger zu bringen ist noch immer eine Herausforderung. Optimierte, kundenspezifische Hochstrom-Kontaktelemente lösen das Problem.

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Bild 1: Inlay-Leiterplatte der Firma Schweizer Electronic AG (Zusammenarbeit von Infineon und Schweizer) für eine 600-A-Batterieklemme mit einem M8-BROXING-PowerClamp in Pressfit.
Bild 1: Inlay-Leiterplatte der Firma Schweizer Electronic AG (Zusammenarbeit von Infineon und Schweizer) für eine 600-A-Batterieklemme mit einem M8-BROXING-PowerClamp in Pressfit.
(Bild: BROXING)

Noch vor wenigen Jahren war die Stromleitfähigkeit der Leiterplatten auf nur wenige Ampere begrenzt. Hierfür genügte für die Anbindung an das externe System eine direkte oder aufgelötete Steckverbindung bzw. eine gelötete Klemmleiste. Durch die technologische Entwicklung, welche die Leiterplatten in den letzten Jahren erfahren haben, ist es nun möglich hunderte Ampere über moderne Dickkupfer-Leiterplatten zu leiten (Bild 1).

Für solch hohe Ströme ist naturgemäß die bis dahin verwendete Anschlusstechnik nicht mehr brauchbar. Auch das direkte Anschrauben eines Kabelschuhs auf der Leiterplatte ist aus qualitativen Gründen nicht anwendbar, weil die Leiterplatte selbst physikalisch gesehen kein Festkörper, sondern eine Flüssigkeit mit sehr hoher Viskosität ist.

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Dies bedeutet, dass sich durch die Vorspannkraft der Schraubverbindung die Leiterplatte mittelfristig verformt, was eine Verringerung des Kontaktdrucks und somit eine Erhöhung des Übergangswiderstandes zur Folge hat. Bei 100 A und einem Übergangswiderstand von 1 mΩ beträgt die Verlustleistung am Kontakt bereits 10 W, was eine starke thermische Belastung der Leiterplatte bedeutet, welche zu deren Ausfall führen kann.

Durch die Verwendung von geeigneten Hochstrom-Kontaktelementen konnte dieses Problem relativ einfach gelöst werden. Je nach Strombelastung und Art der Leiterplatte finden diese Kontaktelemente Anwendung in THT-Löttechnik, SMT oder Einpresstechnik.

Wenn Leiterplatten bei dem Fertigungsprozess ohnehin einen Lötprozess durchlaufen, keine großen Anforderungen an Vibration und an starken Temperaturschwankungen gefragt sind, dann ist es aus Kostengründen sinnvoll, Kontaktelemente in Löttechnik zu verwenden.

Allerdings ist hierbei die Stromgrenze bei etwa 100 A. Dies hat folgende Ursachen: Je höher die Ströme, desto mehr Kupfer wird in der Leiterplatte verbaut und desto größer ist das Kontaktelement selbst. Das heißt, dass bei mehr Strom mehr metallische Masse erforderlich ist, welcher durch die Lötwelle die notwendige Wärmeenergie zugeführt werden muss.

Einerseits kann die Leiterplatte naturgemäß ohne Schaden zu nehmen nur eine begrenzte Wärmeenergie absorbieren und andererseits sind auch der thermischen Energie, welche die Lötwelle abgeben kann anlagemässig Grenzen gesetzt.

Bei SMD-Kontaktelementen kann je nach Ausführung der maximale Strom um ein vielfaches höher sein, weil durch die Reflow-Löttechnik das Wärmemanagement der Lötstelle auf der Leiterplatte vorteilhafter ist. Für Ströme bis zu 1000 A oder für starke thermische oder mechanische Beanspruchungen ist einzig die Einpresstechnik geeignet.

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