Wie PCB-Einlegetechnik das Design kompakter KI-Leistungsmodule unterstützt

Das Einlegen von Leiterplatten in Spritzgussformen ist jedoch nicht einfach nur das Einlegen einer Leiterplatte in eine Spritzgussform. Eine erfolgreiche Produktion hängt von der Positionierung der Leiterplatte, dem Formdesign, dem Harzfluss, der thermischen Kompatibilität, den elektrischen Abständen, der Materialauswahl und der Qualitätskontrolle ab.

Werden diese Faktoren bereits frühzeitig in der Entwicklung berücksichtigt, kann das Verfahren dazu beitragen, kompakte und zuverlässige Leistungsmodule für KI-Server, industrielle Stromversorgungssysteme, Energiespeichergeräte und Hochleistungsrechneranwendungen zu entwickeln.

Was ist PCB-Einlegetechnik?

Beim PCB-Einlegeverfahren handelt es sich um eine spezielle Form des Einlegeverfahrens, bei der eine Leiterplatte, eine flexible Leiterplatte, eine Anschlussklemme, ein Sensor oder ein anderes elektronisches Bauteil in eine Form eingesetzt wird, bevor mit dem Kunststoffspritzguss begonnen wird.

Anschließend wird geschmolzener technischer Kunststoff um ausgewählte Bereiche des Einsatzes eingespritzt. Nach dem Abkühlen des Materials bilden die Leiterplatte und das Formgehäuse eine integrierte Struktur.

Je nach Ausführung kann das Verfahren für Folgendes verwendet werden:

• Sichern Sie die Leiterplatte in einer definierten Position
• Das äußere Gehäuse um die Leiterplatte herum bilden.
• Steckverbinderschnittstellen und Montagestrukturen erstellen
• Schützen Sie ausgewählte Elektronikbereiche vor Feuchtigkeit und Vibrationen.
• Anschlüsse, leitfähige Stifte oder Gewindeeinsätze integrieren
• Die Anzahl der einzelnen Halterungen und Befestigungselemente reduzieren.
• Verbesserung der Ausrichtung zwischen Leiterplatte, Anschlüssen und Außengehäuse

Ming-Li Precision hat diese Fähigkeit anhand eines Projekts zur Gehäuseentwicklung für ein Elektronikmodul mit präziser Leiterplattenintegration demonstriert. Das Verfahren kombiniert präzise Formenkonstruktion, kontrollierte Positionierung der Einsätze, Spritzguss aus technischem Kunststoff und Maßprüfung.

Warum die Herstellung kompakter KI-Leistungsmodule schwierig ist

Die Verkleinerung eines Leistungsmoduls reduziert nicht dessen funktionale Anforderungen. Kompakte Stromversorgungssysteme bringen in vielen Fällen zusätzliche technische Herausforderungen mit sich, da elektrische, mechanische und thermische Funktionen enger beieinander angeordnet werden müssen.

Höhere Bauteildichte

Kompakte Module können auf engstem Raum eine Leiterplatte, Anschlüsse, Kontaktstifte, Stromschienen, Sensoren, Isolationsbarrieren und Montageelemente enthalten. Geringfügige Positionsfehler können die Ausrichtung der Steckverbinder, den elektrischen Kontakt, die Passgenauigkeit der Montage oder den Abstand zwischen leitfähigen Bauteilen beeinträchtigen.

Strengere Toleranzanforderungen

Die Leiterplatte muss mit dem Formgehäuse, den Steckverbindern, Stromschienen, Kühlkörpern und den umliegenden Baugruppen ausgerichtet sein. Werden die einzelnen Komponenten separat gefertigt, können sich Toleranzen summieren und zu Fehlausrichtungen bei der Endmontage führen.

Elektrische Isolierung

Leistungselektronik erfordert eine ausreichende Isolation zwischen den leitfähigen Bauteilen. Die Formkonstruktion muss die Wandstärke, die Kriechstrecke, den Luftabstand und die Materialintegrität im Bereich der Anschlüsse und Sammelschienen gewährleisten.

Thermische Belastung

KI-Stromversorgungssysteme können unter hohen elektrischen Lasten betrieben werden. Wiederholtes Erhitzen und Abkühlen kann dazu führen, dass sich verschiedene Materialien unterschiedlich stark ausdehnen und zusammenziehen. Daher müssen Leiterplatte, Kupfereinsätze, Kunststoffgehäuse, Grundplatte und Befestigungselemente als Gesamtsystem ausgelegt sein.

Produktionswiederholbarkeit

Eine kompakte Konstruktion mag im Prototypenstadium einwandfrei funktionieren, lässt sich aber in der Serienproduktion nur schwer reproduzieren. Positionierung der Einlegeteile, Harzdruck, Verzug, Gratbildung und Maßabweichungen müssen während des gesamten Formprozesses kontrolliert werden.

Die Erfahrung von Ming-Li Precision mit Leistungsmodulrahmen und -gehäusen umfasst Präzisionsformung, Hochleistungskunststoffe, Integration von Metalleinsätzen, Maßkontrolle und Fertigungsunterstützung für Leistungselektronikanwendungen.

Wie PCB-Einlegetechnik das Design kompakter Module unterstützt

1. Es reduziert die Anzahl separater Teile und den Montageaufwand.

Ein herkömmlich montiertes Elektronikmodul benötigt unter Umständen eine Leiterplatte, ein Kunststoffgehäuse, Klemmen, Schrauben, Anschlussklemmen, Isolierabstandshalter und Dichtungselemente.

Durch das PCB-Einspritzverfahren lassen sich mehrere dieser Funktionen in das Formgehäuse integrieren. Befestigungspunkte, Positionierungselemente, Steckverbinderschnittstellen, Isolierwände, Rippen und Schutzstrukturen können im selben Formgebungszyklus hergestellt werden.

Durch die Reduzierung einzelner Bauteile können Ingenieure eine kleinere Baugruppe erstellen und gleichzeitig die Stückliste vereinfachen.

Weniger Teile können auch Folgendes reduzieren:

• Manuelle Montagearbeiten
• Anforderungen an Befestigungselemente
• Toleranzakkumulation
• Komplexität des Inventars
• Möglichkeiten für fehlerhafte Montage
• Bewegung zwischen Leiterplatte und Gehäuse

Die tatsächliche Reduzierung hängt vom Moduldesign ab. Das Einbetten von Leiterplatten sollte bereits in der Designphase evaluiert und nicht erst nach Fertigstellung von Leiterplatte und Gehäuse hinzugefügt werden.

2. Es verbessert die Positionierung von Leiterplatten und Anschlüssen.

Eine präzise Positionierung ist besonders wichtig, wenn eine Leiterplatte mit externen Klemmen, leitfähigen Stiften, Stromschienen, Sensoren oder einem anderen Modul verbunden werden muss.

Beim Einlegeverfahren halten spezielle Vorrichtungen und Formmerkmale die Leiterplatte oder die Anschlussbaugruppe in einer kontrollierten Position. Die Kunststoffstruktur wird dann um diese Referenzpunkte herum geformt.

Dadurch entsteht eine direkte Maßbeziehung zwischen dem Elektronikeinsatz und dem Formgehäuse. Im Vergleich zur separaten Fertigung und Montage der Teile kann der integrierte Prozess Positionsabweichungen an kritischen Schnittstellen reduzieren.

Zu den potenziellen Vorteilen gehören:

• Gleichmäßigere Steckerausrichtung
• Stabile Terminalhöhe und -abstand
• Verbesserte Passung zwischen Gehäuse und Leiterplatte
• Bessere Wiederholgenauigkeit bei der automatisierten Montage
• Reduzierte Toleranzstapelung
• Geringeres Risiko einer Leiterplattenbewegung nach der Montage

Bei kompakten KI-Leistungsmodulen können diese Verbesserungen von Vorteil sein, da weniger Platz zur Verfügung steht, um Fehlausrichtungen auszugleichen.

3. Es erzeugt eine integrierte elektrische Isolierung.

Technische Kunststoffe, die in der Leistungselektronik eingesetzt werden, können sowohl eine elektrische Isolierung bieten als auch strukturelle Merkmale um leitfähige Bauteile herum bilden.

Einlegeleisten können zur Isolierung verwendet werden:

• Leiterplatten
• Metallanschlüsse
• Leitfähige Stifte
• Kupfersammelschienen
• Steckverbinderkontakte
• Montageschnittstellen

Das geformte Kunststoffmaterial ermöglicht die Bildung von Isolierwänden und die gezielte Trennung zwischen leitfähigen Bereichen. Dadurch kann der Bedarf an separaten Isolierplatten, Abstandshaltern oder Abdeckungen reduziert werden.

Die Materialauswahl bleibt entscheidend. Harze müssen hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften, Hitzebeständigkeit, Feuchtigkeitsaufnahme, Dimensionsstabilität, Flammschutzanforderungen, mechanischen Festigkeit und Kompatibilität mit dem Einsatzmaterial bewertet werden.

Die hochpräzisen Spritzgieß- und Umspritztechnologien von Ming-Li Precision umfassen Leiterplattenbestückungen, Stromschienen, Klemmen, Kabel, elektronische Bauteile und Hochleistungsmaterialien wie PPS, PBT, LCP, PA9T, PEI und PEEK.

4. Es schützt empfindliche Elektronikbereiche.

Bestimmte Bereiche einer Leiterplatte müssen möglicherweise vor Staub, Feuchtigkeit, Vibrationen, Stößen oder Bewegungen geschützt werden. Durch Einbetten oder selektives Umspritzen kann eine Schutzstruktur um diese Bereiche herum gebildet werden.

Mögliche Funktionen sind unter anderem:

• Umweltversiegelung
• Zugentlastung
• Vibrationsfestigkeit
• Verbindungsverstärkung
• Mechanischer Schutz
• Isolierung um freiliegende Leiter
• Stabile Unterstützung für Sensoren und Endgeräte

Die gesamte Leiterplatte muss nicht unbedingt vergossen werden. In vielen Anwendungen werden nur ausgewählte Bereiche vergossen, während wärmeempfindliche Bauteile, Wartungsbereiche, thermische Schnittstellen oder elektrische Kontakte freiliegen.

Dieser selektive Ansatz bietet den Ingenieuren mehr Flexibilität als das vollständige Vergießen der Leiterplatte mit Harz.

5. Es unterstützt die Integration mit Stromschienen und Steckverbindern.

Ein kompaktes Leistungsmodul muss unter Umständen Niederspannungs-Steuerschaltungen mit Hochstrom-Leistungsanschlüssen kombinieren. Dies kann eine Leiterplatte, Kupferklemmen, leitfähige Stifte, Stromschienen, Steckergehäuse und eine metallische Grundkonstruktion umfassen.

Durch das Einlegeverfahren können leitfähige Bauteile in einer isolierenden Kunststoffstruktur positioniert werden, wobei die definierte Ausrichtung zur Leiterplatte erhalten bleibt.

Ming-Li Precision hat eine breiter angelegte Version dieses Ansatzes in seiner Lösung zur Integration großer Steckverbinder angewendet, die Einlegetechnik, Umspritzen, Leiterplattenbestückung, Metallklemmen, Stromschienen und eine Druckguss-Grundplatte kombiniert.

Diese Art der Mehrprozessintegration kann Leistungsmodule unterstützen, die sowohl präzise elektrische Verbindungen als auch strukturelle Stabilität erfordern.

Wichtigste technische Herausforderungen beim PCB-Einlegeverfahren

Beständigkeit von Leiterplatten gegenüber Hitze und Druck

Beim Spritzgießen kommen geschmolzener Kunststoff, Einspritzdruck und Schließkraft zum Einsatz. Empfindliche Leiterplattenbauteile können beschädigt werden, wenn sie übermäßiger Temperatur, übermäßigem Druck oder mechanischer Belastung ausgesetzt sind.

Das Formfenster muss daher wie folgt festgelegt werden:

• Leiterplattensubstrat
• Komponentenlayout
• Lötstellen
• Verbindungsstruktur
• Harzverarbeitungstemperatur
• Einspritzgeschwindigkeit und -druck
• Unterstützungsstrategie einfügen

Einführbewegung während der Injektion

Durch den Harzfluss kann eine unzureichend gestützte Leiterplatte verschoben, geneigt oder verbogen werden. Selbst geringfügige Verschiebungen können die Position der Steckverbinder oder deren elektrische Funktion beeinträchtigen.

Die Form muss die Leiterplatte sicher fixieren, ohne deren Oberfläche oder Bauteile zu beschädigen. Mithilfe der Moldflow-Simulation können Ingenieure zudem verstehen, wo der Druck auf den Einsatz wirkt.

Plastische Verformung um komplexe Geometrien

Eine Leiterplatte und ihre elektronischen Bauteile bilden Hindernisse im Formhohlraum. Eine mangelhafte Materialführung kann zu unvollständiger Füllung, Bindenähten, Lufteinschlüssen, ungleichmäßiger Füllung oder übermäßigem Druck führen.

Mithilfe von Early DFM und Moldflow Analysis lassen sich Angusslage, Füllgleichgewicht, Entlüftung, Einlegestützung, Wandstärke, Kühlung, Verzug und potenzieller Gratbildung um die Anschlüsse herum beurteilen.

Verformung und Materialschrumpfung

Die Leiterplatte, die Kupfereinsätze und der Formkunststoff weisen unterschiedliche Wärmeausdehnungseigenschaften auf. Ungleichmäßige Abkühlung oder Harzschrumpfung können zu Verformungen und inneren Spannungen führen.

Die Materialauswahl und die Formkühlung müssen daher zusammen mit der Leiterplattendicke, der Gehäusegeometrie, der Position des Einsatzes und den Funktionstoleranzen berücksichtigt werden.

Das Wärmemanagement darf nicht vernachlässigt werden.

Durch das Einbetten von Leiterplatten kann ein Modul kompakter gestaltet werden, dies ersetzt jedoch nicht die Notwendigkeit einer thermischen Konstruktion.

Hochtemperaturbauteile erfordern möglicherweise weiterhin Folgendes:

• Kühlkörper
• Metallgrundplatten
• Thermische Schnittstellenmaterialien
• Luft- oder Flüssigkeitskühlung
• Kontrollierte Wärmeübertragungswege
• Trennung von temperaturempfindlichen Leiterplattenbereichen

Das Formgehäuse sollte die thermische Architektur unterstützen und keine Wärme um kritische Bauteile herum einschließen.

Inspektion verborgener interner Strukturen

Viele wichtige Merkmale eines spritzgegossenen Elektronikmoduls lassen sich nicht visuell prüfen. Die Leiterplatte kann teilweise umschlossen sein, und Anschlüsse oder Stromschienen können von Kunststoff umgeben sein.

Zu den potenziellen versteckten Mängeln gehören:

• Leiterplattenbewegung
• Verschiebung einfügen
• Innere Hohlräume
• Unvollständige Ausfüllung
• Risse um die Einsätze herum
• Falsche Kunststoffwandstärke
• Fehlausrichtung zwischen Anschlüssen und Leiterplatte
• Interne Spalten an Materialgrenzflächen

Ming-Li Precision nutzt ZEISS Röntgen-Computertomographie (3D) zur zerstörungsfreien Analyse von Innenstrukturen. Die CT-Daten ermöglichen die Überprüfung der Einbauposition, die Messung von Innenabmessungen, die Analyse von Hohlräumen, die Bestimmung der Wandstärke, die Querschnittsprüfung und den Vergleich mit CAD-Daten.

Die Maßprüfung sollte mit elektrischen und Funktionsprüfungen kombiniert werden, wenn die Formbaugruppe aktive Schaltkreise oder Stromanschlüsse enthält.

Von der Entwicklung zur Massenproduktion

Ein erfolgreiches PCB-Einspritzprojekt beginnt normalerweise, bevor die endgültige Modulgeometrie festgelegt ist.

Der Entwicklungsprozess kann Folgendes umfassen:

1. Überprüfung des Leiterplattenlayouts und der Bauteilabstände
2. Festlegung, welche Bereiche geformt oder unbedeckt bleiben sollen.
3. Bewertung der Kompatibilität von Harz und Leiterplatte
4. Konstruktion von Einsatzaufnahme- und Positionierungsfunktionen
5. Durchführung von DFM- und Moldflow-Analysen
6. Herstellung von Präzisionswerkzeugen
7. Ein stabiles Formfenster
8. Prüfung der Innen- und Außenabmessungen
9. Durchführung elektrischer und funktionaler Validierung
10. Vorbereitung der Automatisierung für die wiederholbare Massenproduktion

Dieser integrierte Entwicklungsansatz wurde bereits von Ming-Li Precision bei der Herstellung eines Hochleistungs-Leistungsmodulgehäuses für einen taiwanesischen EMS-Anbieter angewendet, der ein großes US-amerikanisches KI-Technologieunternehmen unterstützt .

Das Projekt verdeutlicht die Bedeutung von Maßgenauigkeit, elektrischer Isolation, thermischer Stabilität, Einlegetechnik, fortschrittlichen Werkzeugen und wiederholbarer Produktion in der KI-bezogenen Leistungselektronik.

Ist das PCB-Einlegeverfahren für jedes KI-Leistungsmodul geeignet?

Das Einbetten von Leiterplatten ist nicht automatisch für jedes Produkt geeignet.

Besonders vorteilhaft ist diese Technologie, wenn die Konstruktion eine enge Integration von Leiterplatte, Gehäuse, Anschlüssen, Steckverbindern, Sensoren oder Isolierstrukturen erfordert. Weniger geeignet ist sie hingegen, wenn Bauteile den Vergusstemperaturen nicht standhalten, häufige Reparaturen oder Austausche notwendig sind oder das Modul uneingeschränkten Wärmezugang benötigt.

Vor der Auswahl des Verfahrens sollten Ingenieure Folgendes bewerten:

• Temperaturgrenzen für Leiterplattenbauteile
• Einspritzdruckwiderstand
• Erforderliche Gebrauchstauglichkeit
• Elektrische Isolationsabstände
• Wärmeableitungswege
• Produktionsvolumen
• Einbaupositionstoleranz
• Materialverträglichkeit
• Inspektionsanforderungen

Abschluss

Für die Entwicklung kompakter KI-Leistungsmodule ist mehr erforderlich als nur die Reduzierung der Gehäuseabmessungen. Leiterplatte, Anschlüsse, Stromschienen, Steckverbinder, Isolierung, Wärmeleitschnittstellen und strukturelle Merkmale müssen als ein System zusammenarbeiten.

Durch das Einbetten von Leiterplatten kann dieses Ziel unterstützt werden, indem die Anzahl separater Teile reduziert, die Ausrichtung der Komponenten verbessert, Isolationsstrukturen integriert, ausgewählte elektronische Bereiche geschützt und die Montage vereinfacht werden.

Der Erfolg hängt jedoch von einer frühzeitigen DFM-Überprüfung, präziser Werkzeugkonstruktion, kontrollierten Formgebungsparametern, geeigneten Materialien und der Inspektion sowohl sichtbarer als auch verdeckter Merkmale ab.

Ming-Li Precision bietet integrierte Unterstützung für Präzisionswerkzeuge, Leiterplatten- und Metalleinspritzung, Umspritzen, Leistungsmodulrahmen und -gehäuse, DFM- und Moldflow-Analyse, CT-Inspektion, Montage und Massenproduktion.