Bei Menschen führt eine zu hohe Körpertemperatur zu Unwohlsein. Bei elektronischen Bauteilen kommt es zu Ausfällen, wenn sie zu heiß werden. Ihre Zuverlässigkeit nimmt ab. Daher ist es sehr wichtig, Leiterplatten gut zu kühlen.
Beim thermischen Design ist die Leiterplatte der Hauptwärmeträger. Die Wärme auf einer Leiterplatte stammt aus drei Quellen:
- Wärmeentwicklung durch elektronische Bauteile.
- Wärme, die von der Leiterplatte selbst ausgeht.
- Wärme, die aus anderen Teilen des Systems stammt.
Von diesen drei Faktoren ist die von den Bauteilen ausgehende Wärme am größten. Sie ist die Hauptwärmequelle. An zweiter Stelle steht die von der Leiterplatte erzeugte Wärme. Die von außen kommende Wärme hängt vom thermischen Design des gesamten Systems ab.
Beim tatsächlichen Leiterplattenentwurf müssen Ingenieure viele Aspekte der Wärmeableitung berücksichtigen. Dazu gehören das Leiterplattenmaterial, die Auswahl der Bauteile und deren Anordnung. Im Folgenden konzentriere ich mich auf die Wärmeableitung in der PCB-Layout Bühne.
1. Warum die Kühlung von Leiterplatten wichtig ist
Die Optimierung der Kühlung beim Leiterplatten-Design ist entscheidend, um die Zuverlässigkeit der Bauteile zu gewährleisten und ihre Lebensdauer zu verlängern. Dabei müssen Sie gleichzeitig Aspekte wie Layout, Verlegung, Material und Struktur berücksichtigen. Im Folgenden werden systematische Kühlstrategien vorgestellt.
2. Material- und Schichtaufbauoptimierung
Grundmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit
- Verwenden Sie FR-4-Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit (z. B. ≥ 1,0 W/m·K) oder Metallkernplatten.
- Aluminium-Sockelleisten weisen eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 5 bis 10 W/m·K auf.
- Für Hochfrequenzanwendungen sollten Sie Keramikplatten in Betracht ziehen. Al₂O₃ hat einen Wärmeleitkoeffizienten von etwa 24 W/m·K. AlN hat einen Wärmeleitkoeffizienten von etwa 180 W/m·K.
Strategie zur Kupferstärke
- Verwenden Sie für Strom- und Masseflächen dickeres Kupfer. Verwenden Sie beispielsweise 2 oz (ca. 70 μm) oder dickeres.
- Bei Hochstrompfaden ist eine lokale Kupferdicke von 3 bis 6 oz vorzusehen. Verwenden Sie eine abgestufte Kupferauslegung.
3. Tipps zur Kühlung des Layouts
Regeln für die Anordnung von Bauteilen
- Ordnen Sie heiße Bauteile (Leistungs-MOSFETs, Spannungsregler, Treiber-ICs) verteilt an. Vermeiden Sie, dass sich Wärme an einer Stelle staut.
- Halten Sie empfindliche Bauteile (Quarze, ADCs) mindestens 5 mm von Wärmequellen entfernt. Bringen Sie bei Bedarf Wärmeisolierungsschlitze an.
- Platzieren Sie Bauteile mit hoher Leistungsaufnahme nahe den Kanten der Leiterplatte oder an Stellen, an denen ein Kühlkörper angebracht werden kann.
Auslegung des Wärmekanals
Ein gutes Beispiel für einen Wärmepfad:
[Leistungs-IC] → [Anordnung von Wärmeleit-Vias] → [Innere Kupferebene] → [Wärmeleitpad am Leiterplattenrand]
↘ [Externer Kühlkörper]
Der Pfad führt die Wärme vom IC zu den Durchkontaktierungen, dann zum internen Kupfer und schließlich zum Rand der Leiterplatte oder zu einem externen Kühlkörper.
4. Verbesserungen beim Kupfergießen und bei der Kupfererwärmung
Optimierung des Kupfergusses
- Erstellen Sie massive Kupferflächen unter den stromführenden Bauteilen. Die Kupferfläche sollte mindestens dreimal so groß sein wie die Fläche des Bauteils.
- Verwenden Sie nach Möglichkeit Kupferformen aus Netzstruktur. Die Netzstruktur verringert die thermische Belastung. Verbinden Sie das Netz mit zahlreichen Durchkontaktierungen.
Spezielle Kupferstrukturen
- Verwenden Sie Wärmeableitpads in Durchsteck- oder Rastkontakten, um kalte Lötstellen zu vermeiden.
- Verwenden Sie für Bereiche mit sehr hoher Leistung die Kupfer-Inlay-Technologie. Dabei wird ein massiver Kupferblock in die Leiterplatte eingebettet.
5. Via-Matrix für die Wärmeübertragung
Über Array-Design
- Verwendung von Durchkontaktierungen unter Wärmequellen. Typische Durchkontaktierungsgröße: 0,3 ± 0,05 mm. Diese Größe sorgt für ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Wärmeübertragung und Herstellbarkeit.
- Abstand zwischen den Durchkontaktierungen: das 1,5- bis 2-fache des Durchkontaktierungsdurchmessers. Die Anordnungen sollten mindestens eine Größe von 5 × 5 aufweisen.
- Befüllschema:
- Kostenvorausblick: Verwendung von mit Harz gefüllten Durchkontaktierungen.
- Für eine optimale Wärmeübertragung: Verwenden Sie galvanisch gefüllte Durchkontaktierungen. Dadurch lässt sich die Wärmeübertragung um über 40% steigern.
Über die Verbindungsstrategie
- Bei mehrschichtigen Leiterplatten sollten die Durchkontaktierungen alle Stromversorgungs- und Masseebenen durchqueren.
- Bei einseitigen Leiterplatten sollten Sie auf der Rückseite Kupferinseln und Durchkontaktierungsgruppen anbringen, um die Wärmeableitung zu unterstützen.
6. Externe Kühlung und Integration auf Leiterplattenebene
Integration der Kühlung auf Platinenebene
- Lassen Sie Löcher für die Befestigung des Kühlkörpers frei. Verwenden Sie M3-Schrauben mit 1 mm Spielraum.
- Fügen Sie in der Lötmaske Aussparungen unter den elektrischen Bauteilen ein (Lötmaske (definiertes Fenster), um die Wärmeübertragung zu verbessern.
Auswahl des Grenzflächenmaterials
| Materialart | Wärmeleitfähigkeit (W/m-K) | Anwendungsfall |
|---|---|---|
| Wärmeleitpaste | 1 – 5 | Kleine Spalten (< 0,1 mm) ausfüllen |
| Wärmeleitpads | 3 – 12 | Mittlere Spalten (0,2 – 1 mm) |
| Phasenwechselmaterial | 5 – 8 | Unebene Oberflächen automatisch ausfüllen |
| Flüssiges Metall | 15 – 80 | Fälle mit sehr hoher Leistungsdichte |
Wählen Sie das Material der Schnittstelle entsprechend der Spaltgröße und der Leistungsdichte aus.
7. Konstruktion mit Zwangsluftkühlung
Anordnung entsprechend der Luftströmung
- Richten Sie die Heizelemente in Strömungsrichtung aus. Dadurch wird eine Überhitzung der nachgeschalteten Teile verhindert.
- Halten Sie um hohe Teile herum einen Freiraum von mindestens 3 mm ein.
- Fügen Sie Kanäle auf Leiterplattenebene hinzu, um den Luftstrom zu lenken und die Kühlwege zu optimieren.
8. Thermische Simulation und Verifizierung
Simulationsablauf
Gehen Sie wie folgt vor:
- Erstellen Sie ein 3D-Modell.
- Thermische Randbedingungen festlegen.
- Führen Sie eine stationäre oder transiente Analyse durch.
- Stellen Sie das Temperaturfeld dar.
- Prüfen Sie, ob eine Stelle eine Temperatur von über 85 °C aufweist.
- Falls ja, optimieren Sie den Aufbau und die Kühlung.
- Falls nein, geben Sie den Bericht zum thermischen Risiko aus.
Gängige Tools: ANSYS Icepak, FloTHERM XT, Simcenter FLOEFD.
9. Prozesshinweise und Sorgfalt bei der Herstellung
Lötzuverlässigkeit
- Vermeiden Sie es, thermische Durchkontaktierungen direkt in der Mitte der Pads anzubringen. Verwenden Sie stattdessen gekreuzte thermische Entlastungsmuster.
- Beim Wellenlöten sollten thermische Durchkontaktierungen auf der Bauteilseite verfüllt oder abgedeckt werden, um ein Durchfließen des Lötzinns zu verhindern.
Regelung der thermischen Belastung
- Verwenden Sie Materialien mit hoher Glasübergangstemperatur (Tg ≥ 170 °C), um die Temperaturen beim Reflow-Löten zu bewältigen.
- Große Kupferflächen müssen auf beiden Seiten ausgeglichen sein, um ein Verziehen der Leiterplatte zu vermeiden.
10. Wichtige Gestaltungsregeln
- Wenn die Leistungsdichte > 0,05 W/cm² beträgt, müssen Sie eine spezielle thermische Auslegung vornehmen.
- Halten Sie die Sperrschichttemperatur (T_j) des Bauteils unter 80% des im Datenblatt angegebenen Grenzwerts.
- Verwenden Sie für komplexe Chips wie CPUs und FPGAs ein Matrixmodell für den Wärmewiderstand:
T_j = T_a + Σ(P_i × θ_ji)
Dabei ist T_j die Sperrschichttemperatur, T_a die Umgebungstemperatur, P_i die Leistung von Quelle i und θ_ji der thermische Widerstand von Quelle i zur Sperrschicht j. Den Wert für θ_ji entnehmen Sie bitte dem Datenblatt des Chips.
11. Kühlung über die Leiterplatte selbst
Gängige Trägermaterialien für Leiterplatten sind kupferkaschiertes Epoxidglasgewebe oder Phenolglasgewebe. Es gibt einige wenige Leiterplatten, bei denen kupferkaschierte Papierträger zum Einsatz kommen. Diese Materialien weisen gute elektrische und verarbeitungstechnische Eigenschaften auf, leiten Wärme jedoch nicht gut ab. Bei heißen Bauteilen kann man sich nicht darauf verlassen, dass das Leiterplattenharz die Wärme abführt. Die Wärme muss von der Bauteiloberfläche an die Luft abgegeben werden.
Heutzutage ist Elektronik kompakter. Die Bauteile liegen eng beieinander und erzeugen mehr Wärme. Die geringe Oberfläche der Bauteile reicht nicht aus, um sie zu kühlen. Zudem sind viele oberflächenmontierte Bauteile wie QFP und BGA Wärme an die Leiterplatte weiterleiten. Die beste Lösung besteht daher darin, die Fähigkeit der Leiterplatte zur Wärmeableitung zu verbessern. Die Leiterplatte soll die Wärme leiten oder abgeben.
Auswahl der Teilpakete
- Wenn Sie die thermische Auslegung planen, lesen Sie die Gehäusedaten und die Angaben zur Wärmeleitfähigkeit.
- Sorgen Sie für einen guten Wärmepfad zwischen dem Gehäuse und der Leiterplatte.
- Vermeiden Sie Luftspalten im Wärmepfad. Falls Spalten vorhanden sind, füllen Sie diese mit wärmeleitenden Materialien auf.
12. Der Kerngedanke: Den Wärmewiderstand minimieren
Beim thermischen Design geht es darum, den Wärmewiderstand so gering wie möglich zu halten. Wenden Sie folgende Strategien an:
- Geringerer Leitungswiderstand: dickeres Kupfer, Grundmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
- Wärmewege verkürzen: Verwenden Sie Durchkontaktierungen, die direkt zu Kühlkörpern oder internen Kupferflächen führen.
- Erhöhung der Oberfläche: Vergrößerung der Kupfergussbereiche und Anbringen von Kühlrippen.
- Verbessern Sie den Wärmeaustausch: Verwenden Sie eine Zwangsbelüftung oder eine Flüssigkeitskühlung.
Bei realen Konstruktionen müssen Sie Kosten, Platzbedarf und Herstellbarkeit gegeneinander abwägen. Probieren Sie viele Optionen aus und führen Sie für jede davon eine Simulation durch. Lassen Sie bei Prototypen mehrere Kühlungsoptionen auf der Platine offen. Beispiele: Bohrungen für die Montage von Kühlkörpern, Messstellen für Thermoelemente und einen Lüfteranschluss. Dies erleichtert die Feinabstimmung.
13. Schlussbemerkungen
Ein gutes thermisches Design berücksichtigt sowohl Layout-Regeln als auch die Wahl der Leiterplatten. Achten Sie auf eine sorgfältige Bauteilplatzierung, breite Kupferbahnen, Via-Arrays und geeignete Schnittstellenmaterialien. Führen Sie Tests mit thermischen Simulationen und anhand realer Prototypen durch. Halten Sie die Sperrschichttemperaturen der Bauteile deutlich unter den in den Datenblättern angegebenen Grenzwerten. Planen Sie Wartungs- und Testpunkte ein. Dies senkt das Risiko und gewährleistet die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Produkts.
