Layout-Tipps – Wärme-Management

Wärmemanagement bei der Leiterplattenentwicklung

Notwendigkeit

Elektronische Baugruppen werden immer kleiner, teilweise fallen aber erhebliche Verlustleistungen in diesen an. Zahlreiche sich erwärmende Bauteile sind nicht mit eigenen Kühlsystemen (Kühlkörper) ausgestattet. Der Einsatz von Bauteilen mit hohem Wärmeaufkommen in SMD-Bauform verlagert das Wärmeproblem auf die Leiterplatte, da die Bauteilgehäuse selbst gegenüber konventienellen Bauteilen schlecht Wärme direkt abgeben können. Die Wärmeableitung muß in diesem Fall über die Leiterplatte erfolgen.

Im allgemeinen gilt: je näher die an einem Bauteil auftretende Temperatur an die zulässige Grenze geht, desto geringer die Lebensdauer des Bauteils bis hin zur sofortigen Zerstörung. Der Kühlung der Bauteile kommt also wesentliche Bedeutung zu.

Mitunter stellt das Wärmemanagement sogar ein Nadelöhr einer Entwicklung dar (beispielsweise bei PC-Prozessoren). Auch für Bauteile, die auf den ersten Blick nicht wärmekritisch erscheinen, ist mitunter die im Betrieb erreichte Temperatur ein ernsthaftes Problem (z.B. Kondensatoren in Schaltnetzteilen).

Zu berücksichtigen ist, ob die Wärme permanent eingeleitet wird, oder nur kurzzeitig z.B. beim Einschalten. In diesem Fall kann man überschüssige Wärme auch kurzzeitig zwischenspeichern und dann langfristig abgeben.

Der thermische Widerstand von Basismaterial ist relativ hoch. Daher muß der Wärmetransport im Allgemeinen durch Metalle erfolgen.

Exakte Wärmeberechnungen mittels der Finite-Elemente-Methode sind kompliziert zu realisieren. Die zu berücksichtigenden physikalischen Prozesse sind Wärmeleitung und -Abstrahlung. Insbesondere die Übergangsstellen zwischen verschiedenen Materialien sind zu berücksichtigen. Erschwerend kommt die bei Leiterplatten auftretende komplexe Geometrie der Wärmeleiter und die Kombination verschiedener Materialien hinzu. Für exakte Berechnungen ist eine spezielle Software sinnvoll, für die dann auch alle verwendenden Bauteile als Modelle mit hinreichender Genauigkeit vorliegen müssen. Auch die in einem Bauteil auftretende Verlustleistung ist mitunter nicht ganz einfach zu berechnen (z.B. Kondensatoren in Schaltnetzteilen). Bei der Wärmerechnung sollte nicht nur die momentan in Entwicklung befindliche Baugruppe berücksichtigt werden, da Baugruppen sich gegenseitig beeinflussen können, sondern das komplette geplante Gerät. Die konkreten Einsatzbedingungen des fertigen Gerätes sind zudem oft nur unzureichend bekannt (z.B. Verunreinigungen im Laufe des Lebenszyklus).

Aus diesem Grunde wird man sich oft mit Näherungen zufrieden geben müssen. Unsicherheiten in der Rechnung werden mit Sicherheitszugaben aufgefangen. Man rechnet vereinfachend mit der Summe der thermischen Widerstände der Komponenten im Wärmepfad.

Bei manchen wärmekritischen Bauteilen werden vom Hersteller in der technischen Dokumentation konkrete Layouthinweise gegeben. Diese enthalten mitunter mit viel Aufwand thermisch durchgerechnete Designvorschläge. Diese sollte man in jedem Fall sorgfältig prüfen.

Schwerpunkte

Die Probleme des Wärmemanagements können grob in zwei Bereiche eingeteilt werden:

Abtransport der Wärme vom Bauteil über die Platine.

Ist der Abtransport der im Bauteil entstehenden Wärme nicht direkt durch das Bauteil möglich (Kühlkörper,…) muß die Wärme durch die Leiterplatte abgeführt werden.

Leistungs-SMD-Bauteile haben in ihrem Design oft spezielle Pads, die dem Wärmetransport dienen integriert. In der technischen Dokumentation zu diesen Bauteilen werden oft Hinweise zur geforderten Dimensionierung der Kühlflächen gegeben.

Auch Bauteile ohne spezielle der Kühlung dienende Pads benötigen mitunter Kühlung durch die Leiterplatte.

Der thermische Widerstand von Basismaterial ist relativ hoch. Daher muß der Wärmetransport im Allgemeinen durch Metalle erfolgen. Soll der Wärmetransport durch Isolationsmaterial erfolgen sollte dieses so dünn wie möglich sein.

Das im Allgemeinen ohnehin als Leitermaterial verwendete Kupfer ist gut zum Wärmetransport geeignet. Der Wärmetransport wird mit zunehmendem Querschnitt besser.

Abtransport der Wärme auf dem SMD-Layer: Neben den zu kühlenden Pads werden im Lötstoplack freie Flächen angeordnet. Um eine Lötbarkeit der Bauteile mittels Reflow-Verfahren zu gewährleisten, kann es notwendig sein, die eigentlichen Pads über Stege an die Kühlfläche anzubinden. Diese Maßnahme ist beim Dampfphasenlöten nicht notwendig. Durch eine größere Kupferstärke kann die Wärmeleitung verbessert werden. Bea. die abhängig von der Kupferstärke erreichbaren Strukturgrößen!

Abtransport der Wärme über die Rückseite einer doppelseitigen Platine: Kühlflächen neben den zur Kühlung bestimmten Bauteilpads blockieren viel Platz im Layout. Wenn dieser Platz anderweitig benötigt wird, kann man bei zwei- oder mehrlagigen Platinen die Wärme mittels Durchsteiger in andere Ebenen, die dann dem Wärmetransport dienen leiten (thermische Vias). Das zu kühlende Pad liegt in einer Massefläche, die um das Pad rundum angeordnet ist. Das Pad wird über den Lötstoplack definiert. Um dieses Pad wird eine entsprechende Anzahl von Vias mit einem Durchmesser von 0,3-0,5 mm angeordnet. Durchmesser und Anzahl der Vias sind so zu dimensionieren, daß diese mit Sicherheit keinen thermischen Engpaß darstellen.

Abhängig von der Strukturfeinheit des Layouts kann die Kupferstärke des für en Wärmetransport vorgesehenen Layers erhöht werden, um den Querschnitt zu vergrößern.

Abtransport der Wärme über eine Innenlage eines Mulilayers: Ist auch der Platz für die umliegende Fläche nicht vorhanden, können alternativ dazu unmittelbar auf der Pad-Fläche befindliche Micro-Vias diese Aufgabe übernehmen. Dazu ist ein spezieller Multilayer-Aufbau notwendig. Ansonsten gelten sinngemäß die Bemerkungen im vorigen Punkt.

Mit Wärmeleitkleber aufgeklebte Bauteilgehäuse: können zur Verbesserung des Wärmetransportes beitragen, wenn das Bauteilgehäuse mit Wärmeleitkleber auf eine Massefläche aufgeklebt wird.

Metallkernleiterplatten sind speziell aufgebaute Multilayer, bei denen durchgehende Aluminium- oder Kupferbleche im Aufbau integriert sind. Diese zusätzlichen Metall-Lagen sind elektrisch vom Layout isoliert. Der Wärmetransport erfolgt durch Isoliermaterial hindurch.

IMS-Technologie kann gerade bei der zunehmend interessanten SMD-LED-Beleuchtungstechnik die Lösung der thermischen Probleme bieten. Dabei ist eine Layout-Ebene durch eine dünne Isolierschicht vom Aluminium-Substrat getrennt. Die Wärme kann vom Bauteil durch die dünne Isolierschicht in das Aluminium abgegeben werden. Dieses ist elektrisch isoliert und auf der Rückseite frei und übernimmt den Wärmetransport weg vom Bauteil. Um das Reflexionsvermögen der Platine zu verbessern ist oftmals weißer Lötstoplack sinnvoll. Bei diesem Platinentyp steht nur die Oberseite für das Layout zur Verfügung. Bedrahtete Bauteile müssen stumpf aufgelötet werden.

Abtransport der Wärme von der Baugruppe

Die auf die Leiterplatte übertragene Wärme muß von dieser wieder abgegeben werden. Die durch die Bauteile in die Leiterplatte eingebrachte Wärme heizt die wärmeleitfähigen der Kühlung der Bauteile dienenden Strukturen der Leiterplatte auf. Die wärmeleitenden Strukturen wirken als Wärmespeicher und können je nach Wärmekapazität und bereits vorhandener Temperatur Wärmespitzen abfangen. Diese Wärme muß danach wieder abgegeben werden. Dies kann in Form von entfernt von den heizenden Bauteilen in das Layout integrierte Kühlflächen geschehen, die die Wärme an die Umgebung direkt abgeben. Diese Kühlflächen können sich auf der Rückseite der Platine befinden. Um die Wärmeabgabe zu optimieren können an dieser Stelle Kühlkörper aufgebracht werden bzw. die Platine kann mit kühlenden Gehäusekomponenten verschraubt werden.

Es existieren sogar Lösungen, die mit durch in die Platine eingebrachte dünne Kanäle laufendem Wasser die Wärme von dieser weg hin zu einem Wasserkühler transportieren.

Zur Verbesserung des Wärmemanagements können Platinen mit Randmetallisierung eingesetzt werden.

Typische Anwendungsfälle

• SMD-Leistungsbauteile für Schaltbetrieb wie z.B. Triac-Ausgänge auf Platinen
• analoge Leistungsverstärker
• Hochleistungs-LED-Arrays, die der Beleuchtung dienen
• Prozessoren mit einer hohen Zahl von Aschlüssen, mit teilweise erheblicher Verlustleistung
• sich im Gebrauch stark erhitzende Mikrowellen-Platinen

Zur weiteren Recherche sei besonders das Lexikon zur Elektronikkühlung im FED-Wiki empfohlen!