Bestückung von Motorsteuerungs-Leiterplatten: Herausforderungen in Fertigung, Prüfung und Zuverlässigkeit

Inhaltsverzeichnis

1. Was unterscheidet eine Motorsteuerungs-Leiterplatte von anderen?

2. Warum die Bestückung von Motorsteuerungs-Leiterplatten anspruchsvoller ist

3. Vorbereitung einer Motorsteuerungs-Leiterplatte für die zuverlässige Fertigung

4. Montageprozess der Motorsteuerungs-Leiterplatte

5. Inspektion und Prüfung von Motorsteuerungs-Leiterplattenbaugruppen

6. Abstimmung der Montagestrategie auf die Anwendung

7. Fazit

8. Häufig gestellte Fragen

 

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Ein ruckelnder Roboterarm. Ein E-Bike-Steuerungssystem, das beim Bergauffahren aufgrund von Überhitzung ausfällt. Ein Förderbandmotor, der einen Überstromfehler verursacht, obwohl er einwandfrei funktioniert. All diese Probleme lassen sich eher auf Fehler in der Motorsteuerungsplatine als auf einen Defekt des Motors selbst zurückführen.

 

Motoren nutzen elektrische Energie, um in nahezu allen Industriezweigen mechanische Arbeit zu verrichten – von automatisierten Produktionsanlagen bis hin zu Elektrofahrzeugen. Moderne Motorsteuerungssysteme basieren auf Elektronik, die wiederholte Stromschaltungen bewältigen muss. Die Bestückung von Leiterplatten für Motorsteuerungen kann elektrischen und thermischen Belastungen ausgesetzt sein, die bei typischen Low-Power-Logikplatinen nicht auftreten, was besondere Herausforderungen für die Fertigung mit sich bringt.

 

Branchenanalysen des Marktes für Elektromotoren und Antriebe haben wiederholt auf die vielversprechenden Wachstumsaussichten der kommenden Jahre hingewiesen. Dies ist auf Automatisierungstrends, Energieeffizienzmaßnahmen und Elektromobilität zurückzuführen, die die Nachfrage nach zuverlässiger Motorsteuerungselektronik erhöhen werden. All dies erfordert eine Steuereinheit, die ihre Funktion unter den jeweiligen elektrischen und Umgebungsbedingungen zuverlässig erfüllen kann.

 

Dieser Artikel erklärt Ihnen, wie sich eine Motorsteuerungs-Leiterplatte von anderen elektronischen Bauteilen unterscheidet, warum ihre Herstellung schwierig ist und welche Prozesse zur Montage und Prüfung angewendet werden.

 

Was unterscheidet eine Motorsteuerungs-Leiterplatte von anderen?

 

Eine Motorsteuerungs-Leiterplatte ist nicht nur ein Bindeglied zwischen zwei Chips; je nach Anwendung muss sie die Motorposition oder den Strom erfassen, entsprechende Verarbeitungsschritte durchführen und eine Leistungsstufe ansteuern, die den Strom schaltet. Einige Schalt- und Steuervorgänge finden im Mikrosekundenbereich statt.

 

Steuerung, Stromversorgung, Sensorik und Schutz auf einer Leiterplatte

 

Die meisten Motorsteuerungsplatinen umfassen vier Bereiche auf einer einzigen Platine: die Steuerlogik, die durch einen Mikrocontroller oder einen DSP realisiert werden kann; den Schaltbereich, der einen Gate-Treiber und eine Leistungsstufe umfasst; einen Rückkopplungsbereich, der einen Strom- oder Positionssensor enthält; und eine Schutzschaltung für Überstrom- und Überspannungsereignisse.

 

Die Herausforderung bei der Entwicklung von Motorsteuerungs-Leiterplatten besteht gerade darin, eine angemessene elektrische Trennung und saubere Signalwege zwischen diesen Bereichen aufrechtzuerhalten und sie gleichzeitig auf einer einzigen Motorsteuerungs-Leiterplatte unterzubringen.

 

Eine Konstruktion, bei der der störungsanfällige Schaltbereich in der Nähe der empfindlichen Strommessleiterbahn positioniert ist, mag unter einfachen Prüfstandsbedingungen funktionieren, aber sobald der Motor unter Last zu laufen beginnt, kann es zu Fehlfunktionen oder Instabilitäten kommen.

 

Motorsteuerungs-Leiterplatte vs. Motortreiber-Leiterplatte

 

Die beiden Begriffe werden mitunter synonym verwendet, doch in der Praxis bezeichnet eine Motortreiber-Leiterplatte in der Regel primär die Leistungsschaltstufe, während eine Motorsteuerungs-Leiterplatte zusätzlich Steuerlogik, Sensoren, Rückkopplung, Kommunikationsschnittstellen und Schutzfunktionen umfassen kann. Ein geschlossenes Motorsteuerungssystem nutzt Rückkopplung, um sein Verhalten an veränderliche Betriebsbedingungen anzupassen.

 

Manche Anwendungen benötigen lediglich eine einfache Motortreiberplatine. Beispiele hierfür sind Lüfter, die mit fester Drehzahl laufen und keine Rückmeldung benötigen. Es gibt jedoch auch Anwendungen, die ein komplettes Rückkopplungssystem erfordern.

 

Warum die Bestückung von Motorsteuerungs-Leiterplatten anspruchsvoller ist

 

Die allgemeine Elektronikmontage muss selten mit der Kombination von Belastungen fertigwerden, denen eine Motorsteuerplatine täglich ausgesetzt ist.

 

Hochstrom- und Leistungskomponenten

 

Manche Hochstrom-Motorsteuerungs-Leiterplatten führen je nach Anwendung Ströme von mehreren zehn oder sogar hundert Ampere durch Leiterbahnen und Steckverbinder, die unter Nennlast kühl bleiben müssen. Die Berechnung von Leiterbahnbreite, Kupferstärke und Durchkontaktierungen ist daher unerlässlich, da jedes unterdimensionierte Kupfer sofort nach Stromfluss Wärme erzeugt.

 

Eine Platine, die im Schaltplan mit einer leistungsschwächeren Platine identisch ist, kann sich bei der Bestromung mit realem Strom völlig anders verhalten, da eine Überprüfung der Stromtragfähigkeit erforderlich ist.

 

Wärmemanagement und Zuverlässigkeit von Lötverbindungen

 

Leistungsbauteile wie MOSFETs und Treiber erzeugen Wärme, die schnell von der Platine abgeführt werden muss. Die Wärmeabfuhr erfolgt mittels thermischer Durchkontaktierungen, Kupferflächen und in manchen Fällen eines Metallsubstrats. Die Lötstellen der Leistungsbauteile müssen so beschaffen sein, dass sie Temperaturwechseln standhalten, ohne zu reißen.

 

Eine Motorsteuerungs-Leiterplatte, die diesen Prozess nicht durchläuft, verschlechtert sich unbemerkt mit jedem Temperaturzyklus, bis eine Lötstelle bricht. Dann lässt sich nur noch schwer zwischen einer zufälligen Feldrückkopplung und einem Konstruktionsfehler unterscheiden.

 

Stromumschaltungen von empfindlichen Signalen fernhalten

 

Die schnellen Schaltflanken im Leistungsteil erzeugen elektrisches Rauschen, das die Strommessung mittels Stromsensor oder das Encoder-Eingangssignal beeinflussen kann. Durch die korrekte Platzierung wird sichergestellt, dass die Schaltpfade und die analogen Messpfade getrennt bleiben und die Ansteuerpfade der Gates so kurz wie möglich sind.

 

Dies wäre bei einem Funktionstest unter geringer Last nicht erkennbar, sondern würde erst deutlich werden, wenn der Motor tatsächlich unter Drehmomentbelastung zu rotieren beginnt.

 

Vorbereitung einer Motorsteuerungs-Leiterplatte für die zuverlässige Fertigung

 

Bevor auch nur eine einzige Komponente eine Bestückungsmaschine erreicht, bestimmt eine Reihe von Design- und Prüfentscheidungen, wie reibungslos die Fertigung der Motorsteuerungs-Leiterplatten verlaufen wird.

 

Überlegungen zu Leiterplatten und Schichtaufbau

 

Bei der Fertigung von Leiterplatten für Motorsteuerungen sollten verschiedene Aspekte des Lagenaufbaus berücksichtigt werden, darunter der Einsatz dicker Kupferschichten auf der Stromversorgungsebene und separate Ebenen für die Rückleitungen der Gate-Ansteuerung. Die Anzahl der verwendeten Lagen und die Kupferdicke sollten sich nach den elektrischen, thermischen, mechanischen und Isolationsanforderungen richten, denen die Leiterplatte im Betrieb ausgesetzt sein wird, und nicht nach den Testbedingungen im Labor.

 

Komponenten- und Stücklistenprüfung

 

Bei der Überprüfung der Stückliste einer Motorsteuerungsplatine sollten alle Komponenten identifiziert werden, deren Strom- und/oder Spannungsfestigkeit im Verhältnis zur Anwendung grenzwertig niedrig ist. Gate-Treiber, MOSFETs und Strommesswiderstände müssen ausreichend dimensioniert sein, um kurzzeitige Spannungsspitzen abzufangen.

 

Konstruktion für Montage und Prüfung

 

Prüfpunkte an Gate-Signalen, Strommessstellen und wichtigen Spannungsschienen sparen enorm viel Zeit bei Inbetriebnahme- und Fertigungstests. Ein Design ohne diese Prüfpunkte erfordert das direkte Messen der feinen Kontakte, was die Prüfung jedes einzelnen vom Band kommenden Geräts extrem verlangsamt.

 

Montageprozess für Motorsteuerungs-Leiterplatten

 

Die Standardbestückungsprozesse für Leiterplatten bleiben relevant, allerdings kommt jeder Schritt einer zusätzlichen Bedeutung zu, wenn man bedenkt, dass es sich bei der zu bestückenden Platine um eine Motorsteuerung handelt. Ignoriert man diese Tatsache, verliert ein allgemeiner Prozess in diesem speziellen Fall seine Bedeutung.

 

Lötpaste, SMD-Bestückung und Reflow

 

Die Lötpastenmenge ist besonders wichtig für die Bestückung von Motorsteuerungs-Leiterplatten mit freiliegenden Wärmeleitpads für Leistungs-MOSFETs, da diese Pads eine ausreichende Lötpastenbedeckung für eine effektive Wärmeleitung benötigen. Wird dies beim Schablonendesign und Reflow-Löten nicht korrekt kontrolliert, kann es zu übermäßiger Lufteinschließung kommen, wodurch die Wärmeübertragung reduziert und möglicherweise lokale Hotspots unterhalb des Bauteils entstehen.

 

Durchsteck- und Mischtechnologie-Montage

 

Einige Hochstromsteckverbinder, große Kondensatoren und Induktivitäten werden durchkontaktiert statt oberflächenmontiert, da diese Bauteile mechanischen Belastungen standhalten müssen, die die oberflächenmontierten Pads allein nicht bewältigen können. Bei der Bestückung von Leiterplatten für Motorsteuerungen mit unterschiedlichen Technologien kommt eine Reflow- und Wellenlöt- oder Selektivlötsequenz zum Einsatz, um die wärmeempfindlichen Bauteile auf der Leiterplatte zu schützen.

 

Reinigung, Schutz und Rückverfolgbarkeit

 

Flussmittelrückstände in der Nähe von Hochspannungsleiterbahnen wirken bei Feuchtigkeitseinwirkung als Kriechstrompfad, weshalb die Reinigung in diesem Fall wichtiger ist als bei Niederspannungsplatinen. Bei vielen Projekten zur Montage von Motorsteuerplatinen wird eine Schutzlackierung zum Schutz vor Feuchtigkeit und Staub eingesetzt.

 

Chargencode und Komponentenlosnummer sind ebenso wichtig, da die Rückverfolgung des Feldausfalls bis hinunter zur Produktionscharge und Komponentenlosnummer erfolgen muss.

 

Inspektion und Prüfung von Motorsteuerungs-Leiterplattenbaugruppen

 

Die Prüfung von Motorsteuerungs-PCBAs muss weit mehr umfassen als die einfache Durchgangsprüfung, denn eine Platine, die hinsichtlich der grundlegenden elektrischen Eigenschaften einwandfrei funktioniert, kann im tatsächlichen Einsatz sehr wohl versagen.

 

SPI-, AOI- und Röntgeninspektion

 

Die Lötpastenprüfung hilft, Probleme mit der Pastenmenge vor dem Reflow-Prozess zu erkennen, und die automatisierte optische Inspektion deckt häufig nach dem Reflow-Prozess falsch ausgerichtete oder fehlende Bauteile auf. Die Röntgenprüfung spielt eine wichtige Rolle bei Leistungsbauteilen mit verdeckten Wärmeleitpads, da die visuelle Prüfung die einwandfreie Lötverbindung nicht bestätigen kann.

Elektrische Prüfung und Programmierung

 

Durch In-Circuit-Tests lassen sich Unterbrechungen, Kurzschlüsse, falsche Bauteilwerte und andere Montagefehler in der Gate-Ansteuerung und Strommessschaltung erkennen, bevor die Firmware geladen wird. Tests der Motorcontroller-Leiterplatte können an dieser Stelle Verdrahtungs- und Bauteilprobleme identifizieren, bevor versucht wird, den Motor zu starten.

 

Darüber hinaus beschränkt sich die Prüfung von Motorsteuerungs-Leiterplatten nicht nur auf die Erkennung von Durchgangsproblemen. Während Funktionstests können Techniker überprüfen, ob die Schutzschalter wie vorgesehen auslösen, da ein korrektes Schutzverhalten für den Schaltkreis unerlässlich ist.

 

Funktions- und Lasttests

 

Funktionsprüfung der Leiterplatte Die Tests sollten mit einem realen Motor oder einer realistischen Last in Form eines elektronischen Bauteils, das sich wie ein Motor verhält, durchgeführt werden, anstatt sich auf eine ohmsche Dummy-Last zu verlassen. Die Leiterplattenbestückung für Motorsteuerungen sollte Prüfungen hinsichtlich Strombegrenzung, Drehzahlrampe und Verhalten im Stillstand umfassen.

 

Dies sind die Bedingungen, die einen guten Entwurf von einem Entwurf unterscheiden, der nur auf dem Papier funktioniert, und genau die Art von Bedingungen, die bei einem allgemeinen Funktionstest übersehen würden.

 

Abstimmung der Montagestrategie auf die Anwendung

 

Die Motorsteuerungen für kleine Lüfter haben völlig andere Spezifikationen als die Steuerungen für Fahrmotoren in Elektrofahrzeugen; dementsprechend hängt die richtige Wahl der Montagestrategie von diesen Spezifikationen ab.

 

Bei der Auswahl eines Herstellers von Leiterplatten für Motorsteuerungen sollte der OEM sicherstellen, dass das Unternehmen Erfahrung mit der Entwicklung von Hochstrom-Leiterplatten hat und die Testbarkeit der Schutzschaltungen gewährleisten kann, nicht nur die SMD-Fertigung. Hersteller, die ihren Prozess für Leistungsstufen-Leiterplatten veröffentlichen, erkennen in der Regel Probleme, die Standard-Leiterplattenherstellern verborgen bleiben.

 

PCBasic Unterstützt Projekte zur Montage von Motorsteuerungs-Leiterplatten durch DFM-Prüfung, Berücksichtigung der thermischen Auslegung und Funktionstests auf Basis spezifischer Projektanforderungen.

 

Fazit

 

Der Erfolg oder Misserfolg einer Motorsteuerungs-Leiterplattenbaugruppe hängt lange vor dem Erreichen der Kunden von den Entscheidungen ab, die Monate zuvor hinsichtlich des Kupfergewichts, des thermischen Designs und der Tests getroffen wurden.

 

Die richtigen Entscheidungen von Anfang an zu treffen, spart im Vergleich zu späteren Problemlösungen viel Geld. Wenn Sie einen Fertigungspartner suchen, der versteht, dass die Bestückung von Motorsteuerungs-Leiterplatten eine eigene Disziplin ist und nicht nur eine Standard-PCBA-Bestückung, dann freut sich PCBasic auf ein Gespräch mit Ihnen.

 

Häufig gestellte Fragen

 

Frage 1: Was ist eine Motorsteuerungs-Leiterplattenbaugruppe?

 

Es handelt sich um eine Baugruppe aus einer gedruckten Leiterplatte, die dazu dient, den Betrieb eines Elektromotors auf einer einzigen Platine anzusteuern und zu steuern.

 

Frage 2: Warum benötigt eine Motorsteuerungs-Leiterplattenbaugruppe mehr thermische Auslegung als eine Standard-Leiterplattenbaugruppe?

 

Die Komponenten von Motorsteuerungsplatinen erzeugen unter Last Wärme; daher sind thermische Durchkontaktierungen, Kupferflächen und sogar einige Metallkernsubstrate erforderlich, um die Temperatur der Komponenten und Lötstellen innerhalb der zulässigen Grenze zu halten.

 

Frage 3: Worin besteht der Unterschied zwischen einer Motortreiber-Leiterplatte und einer Motorsteuerungs-Leiterplatte?

 

Eine Motortreiberplatine umfasst typischerweise nur die Schaltstufe, während eine Motorsteuerungsplatine zusätzliche Schaltungen enthält, die für die Regelung im geschlossenen Regelkreis erforderlich sind.

 

Frage 4: Worin unterscheidet sich das Testen einer Motorsteuerungs-PCBA von dem einer typischen Platine?

 

Die Prüfung muss über die reine Überprüfung der Durchgängigkeit hinausgehen; sie muss in der Lage sein, Leistungsmerkmale im realen Betrieb wie Strombegrenzung, Drehzahlregelung und Schutzreaktion während der Belastung des Motors zu überprüfen.

 

Frage 5: Worauf sollte ein OEM bei der Auswahl eines Herstellers von Motorsteuerungs-Leiterplatten achten?

 

Achten Sie auf Erfahrung in den Bereichen Hochstromdesign, Wärmeableitung und Funktionstests unter Last, da diese einen direkten Einfluss auf die Funktionsweise der Platine in ihrer Umgebung haben.