Programm

folgt in Kürze

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Durch die stark steigende Nachfrage an Power Modulen und höhere Anforderungen an deren Lebensdauer gilt es neue Entwiklungsprozesse zu etablieren und hierdurch die Ausnutzung der vorliegenden Technologien zu steigern. Da die Anzahl an ausgebildeten Experten im Entwicklungsbereich von Power Modulen keinesfalls im gleichen Maße wie deren Nachfrage steigt, ist es notwendig, die Entwicklungsprozesse vollständig zu automatisieren, sodass sich die Effizienz der vorhanden Experten steigern kann. Zudem müssen Möglichkeiten gefunden werden, die in einem Design noch vorhandenen Möglichkeiten zur Optimierung von Parametern ausnutzen zu können.

Der Vortrag gibt einen Überblick über einen integrierten Entwicklungsprozess von Power Modulen, der vom Entwurf über elektrische und thermische Simulation bis zur automatischen Optimierung reicht. Im Rahmen der automatischen Optimierung lassen sich eine Vielzahl an Designvariationen erstellen und simulieren, um schließlich das für den Anwendungsfall optimale Design auswählen zu können. Die optimale Designauswahl erfolgt auf Basis der Ergebnisse der elektrischen, thermischen und mechanischen Simulation, die gemeinsam dargestellt werden. Die Diskussion der Ergebnisse bildet eine fundierte Grundlage für das Entwicklungsteam, welches so seine Expertise noch besser bei der Designauswahl einsetzen kann.

Die Ergebnisse von bereits durchgeführten Optimierungen nach diesem Ansatz werden vorgestellt, sodass ein Überblick über die Einflüsse von verschiedenen Arten von Designvariationen, wie beispielsweise der Platzierung von Bauteilen oder Bonddrähten, auf Anforderungen an das Power Modul gegeben werden kann. Für Erstellung und Simulation von ca. 100 Designvarianten mit dem vorgestellten Ansatz lässt sich eine signifikante Zeitersparnis im Vergleich zur händischen Erstellung und Simulation erzielen.

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In der Simulation leistungselektronischer Systeme sind präzise thermische Modelle zu einem unverzichtbaren Bestandteil geworden, um die Zuverlässigkeit und Effizienz dieser Systeme zu gewährleisten. In der Praxis haben sich thermische Ersatzschaltungen in Form von kettenartigen RC-Netzwerken zur Beschreibung der Wärmeübergangsdynamik und zur Abschätzung der Sperrschichttemperatur als leistungsfähige Werkzeuge erwiesen. In diesem Vortrag erfahren wir, wie die üblichen Fallstricke bei der Arbeit mit thermischen Foster- oder Cauer-Ketten vermieden werden können. Wir beginnen mit der korrekten Messung thermischer Impedanzkurven und beschreiben dann die Schwierigkeiten, die bei der Bestimmung der Kettenparameter aus diesen Kurven auftreten, sowie die Möglichkeiten, diese zu überwinden. Nachdem auf diese Weise sorgfältig parametrisierte thermische Ketten ermittelt wurden, werden bewährte Verfahren für deren Verwendung vorgestellt. Abschließend werden fortgeschrittene Modellierungsmethoden für thermisch gekoppelte Systeme präsentiert, wie sie in aktuellen leistungselektronischen Simulationen verwendet werden.

Das Zeitalter der Industrialisierung weicht dem Kollaborationszeitalter: Deutsche Unternehmen können durch gezielte Zusammenarbeit große Potenziale gegenüber internationalen Wettbewerbern ausschöpfen. Um diese Chancen zu nutzen, müssen sie lernen, ihre Prioritäten klar zu setzen und sich zu fokussieren. Kollaboration entlang der gesamten Wertschöpfungskette verschafft ihnen einen entscheidenden Marktvorteil und verkürzt die Time-to-Market.

Externe Kollaboration: Der Erfolg liegt in der Zusammenarbeit über Unternehmensgrenzen hinweg. Unternehmen, die Ressourcen und Know-how mit Partnern teilen, entwickeln gemeinsam innovative Produkte. Dies stärkt die regionale Wirtschaft und senkt die Abhängigkeit von globalen Lieferketten.

Interne Kollaboration: Innerhalb einer Firma bieten kollaborative Ansätze enorme Möglichkeiten, mehr Wert zu liefern. Transparenz, klare Priorisierung und strategische Führung sind dabei essenziell. Eine kultursensible Organisationsentwicklung fördert eine neue Kultur des Verständnisses und der Zusammenarbeit. Diese Faktoren verbessern das Time-to-Market und steigern die Zufriedenheit der Mitarbeiter.

Durch die geschickte Kombination von externer und interner Zusammenarbeit werden Unternehmen zukunftsfähig und langfristig am Markt erfolgreich. Das Kollaborationszeitalter bietet die Grundlage für nachhaltiges Wachstum und Innovation.

Die Zuverlässigkeit und Lebensdauer elektronischer Produkte hängen stark von der richtigen Strategie zur Kühlung ihrer Komponenten ab. Überhitzung und thermische Ausdehnung führen zu Verformungen oder lokalen Schäden, die zu einem Ausfall des gesamten Systems führen können. 

Der Projektdruck im Tagesgeschäft, schnelle Ergebnisse zu liefern, führt oft zu Kompromissen bei den Modellierungsmethoden, um den Zeit- und Ressourcenaufwand zu minimieren. Solche Kompromisse gehen jedoch in der Regel auf Kosten der Genauigkeit, was die Aussagekraft und Akzeptanz numerischer Lösungen mindert. Dies lässt sich vermeiden.

Die numerischen Simulationsmodelle müssen verschiedene Aspekte und physikalische Phänomene berücksichtigen, die auf unterschiedlichen Größen- und Zeitskalen erfasst werden müssen. Dies lässt sich nur durch die Verwendung verschiedener Berechnungsmethoden erreichen, die jeweils auf unterschiedlichen Modellierungsansätzen basieren. Dazu bedarf es einer robusten und effizienten Übertragung verschiedener physikalischer Größen von einem Modell auf das Andere. Wie können nun Finite-Volumen-, Finite-Elemente- und Systemsimulation in Einklang gebracht werden, damit Simulationsergebnisse die notwendige Akzeptanz im hektischen Entwicklungsalltag finden?  

Anhand eines Hochleistungswechselrichters demonstrieren wir die Methodik zur Berechnung der Verluste in Elektronik Komponenten und integrieren diese in eine vollständige thermische 3D/CFD-Simulation. Anschließend wird das abgeleitete thermische Profil in eine detaillierte Strukturanalyse integriert, um die mechanischen Verformungen und Spannungen zu bewerten, denen die elektronischen Komponenten ausgesetzt sind.

Flexible Re-Iterationen von Einzelbetrachtungen und die Verknüpfung der numerischen Lösungen ermöglichen die einfache Wiederholung verschiedener Szenarien. Das schafft einen realitätsnahen Einblick und erlaubt es, die Machbarkeit eines Entwurfs schnell zu bewerten und ein Design effizient virtuell abzusichern.

Seit der Erfindung der Leiterplatte wird fast ausschließlich Kupfer als elektrischer Leiter verwendet. Kupfer ist ein knapper und begehrter Rohstoff in der Elektrotechnik, was zu steigenden Preisen und Verfügbarkeitsproblemen führt. Aluminium bietet eine kostengünstige, nachhaltige und leichte Alternative zu Kupfer in Leiterplatten. Durch Anpassung des Leiterbahnquerschnitts können äquivalente elektrische und thermische Eigenschaften wie bei Kupfer erreicht werden. Bisher war der Einsatz von Aluminium in Leiterplatten aufgrund seiner Oxidschicht an der Oberfläche, die eine Kontaktierung mit Standardverfahren verhinderte, nicht möglich. Ein neues Verfahren ermöglicht nun die Veredelung der Aluminiumoberfläche, sodass eine Lötbarkeit vergleichbar mit Kupfer erreicht wird. Dadurch unterscheiden sich Aluminium-Leiterplatten in ihrem Verarbeitungsverhalten nicht von konventionellen Kupfer-Leiterplatten.

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Die Anforderungen an die Leistungselektronik sind bereits hoch und nehmen weiter zu. Es gilt die Performance weiter zu steigern, eine hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten und dabei möglichst auch noch Gewicht und Bauraum zu reduzieren. Dazu kommt ein enormer Kostendruck, dem die Hersteller im internationalen Wettbewerb ausgesetzt sind. Nur wer diese Anforderungen erfüllt und neue Standards setzt, kann seine Marktposition behaupten bzw. weiter ausbauen.

Stanztechnisch gefertigte Komponenten spielen dabei eine zentrale Rolle. Sie übertragen Signale oder leiten Ströme. Gerade bei stromführenden oder wärmeableitenden Bauteilen wie bspw. Stromschienen (Busbars) oder Kontaktpads lassen sich durch den Einsatz qualitativ hochwertiger Stanzteile Vorteile erzielen. Das betrifft einerseits die Performance, andererseits hauptsächlich auch die Kostenseite. So ist es bei einer entsprechenden Ausführung der Komponenten beispielsweise möglich, die eingesetzte Menge teurer Werkstoffe einzusparen, ohne dabei Abstriche bei Leistung oder Lebensdauer zu machen.

Dieser Beitrag soll interessierten Personen wie Anwendern und Entwicklern einen Überblick darüber verschaffen, wodurch sich hochwertige Komponenten auszeichnen und welches Potential deren Einsatz bietet. Hierbei handelt sich beispielsweise um geometrische Eigenschaften, welche dazu führen, hohe Stromdichten bei geringerer Bauteilgröße zu bewältigen.

Im Vergleich dazu wird anhand anschaulicher Beispiele aufgezeigt, wie es andernfalls dazu kommen kann, dass Leistungsparameter erst gar nicht erreicht werden, oder hohe Übergangswiderstände und damit einhergehend thermische Probleme entstehen und es so auch zu einem vorzeitigen Ausfall der Komponenten kommen kann.

Mit unverschlüsseltem Datenverkehr beispielsweise via E-Mail und Anhängen entspricht die technische Kommunikation in der EMS-Welt häufig noch veralteten und unsicheren Standards. Gleichzeitig führt das berüchtigte „Email-Ping-Pong“ zu unverhältnismäßig langen Kommunikationsschleifen und später häufig nicht mehr nachvollziehbaren technischen Vorgaben. Um diesen Status aufzubrechen, geht BMK mit einem Online-Kollaborationsportal neue Wege, um die Kundenkommunikation auf das nächste Level zu heben. Hierbei sollen die Datenübergabe, technische Klärungen und der komplette Angebotsprozess in einer Onlineumgebung stattfinden, um die vollen Möglichkeiten digitaler Schnittstellen besonders in der Angebotserstellung zu nutzen. Das Portal bietet Zugriff auf den umfassenden BMK-Bestand elektronischer Teile, Alternativteil-Vorschläge und eine digitale Echtzeitanbindung an das weltweite Lieferantennetz. Es ermöglicht zudem die Instant-Kommunikation mit Kunden und kann so den oft ohnehin schon zeitkritischen Bestellprozess zusätzlich beschleunigen. Der Serverstandort in Deutschland und eine verschlüsselte Datenablage garantieren eine sichere Verarbeitung vertraulicher Daten und gewährleisten so die Einhaltung der modernen Datenschutz-Standards.