Wärmemanagement auf Leiterplatten

Aufgrund des Trends zur Miniaturisierung nimmt die Wärmeleistung pro Flächeneinheit zu, was bedeutet, dass immer mehr Wärme auf eine immer kleinere Oberfläche abgegeben wird. Oft ist dies z.B. in LED-Anwendungen der Fall, welche den größeren Teil des Stroms in Wärme statt Licht umwandeln.

Nicht nur bei Hochleistungsanwendungen ist daher ein ausreichendes Wärmemanagement von zentraler Bedeutung. Dieses sollte individuell auf die jeweilige spezifischen Anwendung und die Umgebungsbedingungen des Gesamtsystems ausgelegt werden.

Grundsätzliche Überlegungen zum Wärmemanagement

Als Träger der Bauteile ist die Leiterplatte die Hauptkomponente für das Erreichen eines stimmigen Wärmemanagements. Eine unzureichende Optimierung muss nachträglich durch evtl. kostensteigernde Maßnahmen kompensiert werden.

Im Vorfeld sollten folgende grundsätzliche Überlegungen angestellt werden:

  • Welche Wärmemenge (Verlustleistung) muss wo abgebaut werden?
  • Wie sind die Dimensionen und Leistungsdaten der Komponenten?
  • Wo befinden sich die Wärmequellen (z.B. LEDs) auf der Leiterplatte?
  • Verfügbare Platz- und Montageperipherie?
  • Anwendungstemperaturen und Umgebungstemperaturen?
  • Welche Mechanismen werden verwendet, um das System zu kühlen? (Temperatur fällt)
  • Wie soll Wärme zu den Kühlkörpern geleitet werden?
  • Bestehen bestimmte Zuverlässigkeitsanforderungen (z. B. Zyklusstabilität)?

Aufgrund des niedrigen Wärmeleitwerts von FR4 (0.2 – 0.5 W/mK) sind reine FR4 Leiterplatten meist nicht für wärmeintensive Anwendungen (z.B. Hochleistungs-LEDs) geeignet.

U.a. stehen folgende Möglichkeiten für ein Wärmemanagement auf Leiterplatten zur Verfügung:

Am Ende des Artikels: Termischer Vergleich zwischen FR4 und Metallkern

Design / Aufbau der Leiterplatten

Folgende Möglichkeiten können helfe, die Wärmeentwicklung zu begrenzen bzw. die Wärme besser abzuführen:

  • Einbau der Leiterplatte hochkant
  • schwarzer Lötstopp (besser Wärmeabgabe)
  • örtliche Trennung von Hochleistungs- und Signal-Leitern
  • breite Leiterbahnen für starke Ströme
  • zusätzlichen Kupferoberflächen und höhere Kupferdicken
  • zusätzliche thermische Vias (s.u.)

Eine thermische Simulation oder Messung am Prototyp kann helfen Hotspots besser zu lokalisieren.

Dickkupfer-Leiterplatten

Dickkupfer-Leiterplatten (z. B. 70µm, 105µm, max. 400µm) verbessern die Wärmeableitungseigenschaften und ermöglichen somit eine Wärmeverteilung über größere Oberflächen. Die Wärmeverteilung erfolgt in der Kupferschicht auf der PCB-Oberfläche und Innenlagen.

Dickkupfer-Leiterplatten werden primär für Anwendungen mit hoher Leistung (hoher Strom) und zur Kühlung von Komponenten mit großen thermischen Verlustleistungen verwendet.

Bitte beachten Sie die maximal zulässige Leiterbahnbreite in Abhängigkeit zur Kupferdicke.

Thermal Via Array

Beispiel: Leiterplatte Via in Pad

Dünne, doppelseitige oder Multilayer Leiterplatten mit einem Verbund von thermischen Vias (Via-in-Pad), welche die Wärmeleitung verbessern. Die Dicke der Leiterplatte beträgt typischerweise 0.3 – 1.0mm.

Zwei Arten von Thermal-Vias sind möglich:

Filled & Capped Vias (IPC-4761 Typ VII) haben den wichtigen Vorteil, dass sie z.B. direkt unter einem thermischen Lötpad von LEDs angeordnet werden können und somit Wärme direkt ableiten. Das Kupfer-Filling verhindert zudem Lotabfluss (Wicking) und unkontrollierte Hohlräume im Via beim Reflow-Löten.

In vielen Fällen reichen jedoch einfache thermische Durchkontaktierungen aus, um eine deutliche Reduzierung des thermischen Widerstandes bis auf den Zielwert zu erreichen.

Das Ausmaß des resultierenden thermischen Widerstands wird durch die Anzahl und Position der Durchkontaktierungen beeinflusst. Je näher die Durchkontaktierungen an der Wärmequelle liegen, desto besser und schneller kann Wärme abgeführt werden und desto geringer ist der thermische Widerstand.

Thermal Via Array Design-Beispiel für den Texas Instruments DRV8312:

Thermal Via Footprint

Quelle: Texas Instruments DRV8312 Datenblatt

Metallkern – IMS

Metallkern (auch IMS - Insulated Metal Substrate) Leiterplatten werden verwendet um Wärme schnell und effektiv von Bauteilen abzuführen. Bei Multi-CB bekommen Sie IMS Leiterplatten mit Aluminium Kern.

Aufgrund seiner signifikant höheren Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zur FR4-Technologie ist IMS in LED-Anwendungen, insbesondere bei Hochleistungs-LEDs, weit verbreitet. In den meisten Anwendungen werden IMS-Leiterplatten, zusammen mit einem thermischen Interface-Material (TIM / Wärmeleitpaste), mittels Schrauben am Kühlkörper befestigt.

Bei Verwendung einer IMS-Platine mit Keramik-LEDs ist zu beachten, dass der Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE-z) zwischen dem Keramikmaterial der LED und der IMS-Platine Spannungen auf der Lötstelle erzeugt.

Typischer Aufbau einer einseitigen Metallkern Leiterplatte:

Metallkern Leiterplatte typisch

Alle Metallkern-Optionen finden Sie hier: Metallkern-Leiterplatten

Thermischer Vergleich von Leiterplatten-Typen (Firma Osram)

Basierend auf Daten der Hochleistungs-LED OSRAM OSTAR Compact (Firma Osram) und eines vordefinierten Kühlkörpers wurde ein beispielhafter thermischer Vergleich spezifischer Leiterplattenkonzepte durch thermische Simulation durchgeführt.

Typische Kenndaten und Materialparameter wurden für die verschiedenen PCB-Konzepte verwendet.
Hier der Vergleich zwischen FR4 (mit Thermal Vias) und Metallkern:

Metallkern vs. FR4

Aufgrund der guten thermischen Verteilung und mechanischen Stabilität ist die IMS-Technologie mit verbesserten Dielektrika für viele wärmeintensive Anwendungen (z.B. LED), insbesondere für höhere Leistungsklassen, zu bevorzugen.

Im mittleren bis höheren Leistungsbereich liegt der Fokus auf der FR4-Technologie mit thermisch optimierten Layouts. Mit einfachen Maßnahmen wie zusätzlichen Kupferoberflächen, höheren Kupferdicken und thermischen Vias kann das Gesamtsystem positiv beeinflusst werden.