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Thermosimulation Die Leiterplatte als Kühlkörper nutzen

Autor / Redakteur: Dr. Johannes Adam* / Kristin Rinortner

Da mit zunehmender Miniaturisierung der elektronischen Bauelemente die Wärmeverlustleistung pro Flächeneinheit steigt, kommt dem Wärmemanagement eine immer größere Bedeutung zu. Wie warm ein Bauteil wird, hängt dabei vom „Bottom“- und vom „Top“-Widerstand und der Wärmespreizung durch das Kupfer in der Leiterplatte ab. Wie das Thermomanagement hier optimiert werden kann, legt der folgende Beitrag dar.

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Bild: Erni
Bild: Erni
( Archiv: Vogel Business Media )

Eine Leiterplatte (LP) ist, vereinfacht gesagt, ein mit Hilfe von Kunstharz und Glasgewebe verpresstes Laminat aus kupferbeschichteten Kunststoffplatten. Die Wärmeleitfähigkeit der beteiligten Materialien ist, mit Ausnahme des Kupfers, sehr schlecht. Trotzdem haben die meisten Bauteile ohne Leiterplatte keine thermischen Überlebenschancen, weil sie nicht die für die notwendige Wärmeabfuhr erforderliche Oberflächengröße haben: erst durch die Wärmeübertragung in die Leiterplatte und die dortige Wärmespreizung (oder durch angebrachte Kühlkörper) kann die Wärme auf niedrigem Temperaturniveau an die Umgebung abgegeben werden.

Tabelle 1: Wärmeleitfähigkeit der Materialien in einer Leiterplatte (Archiv: Vogel Business Media)

Beim Standardmaterial FR4 liegt die empfohlene Maximaltemperatur bei Spitzenbelastung bei ca. 135 °C. Bei höheren Temperaturen kommt es zu Verbiegung und Delamination und damit zu einem Verlust der Funktionsfähigkeit. Tabelle 1 zeigt die Wärmeleitfähigkeit von Werkstoffen in einer Leiterplatte.

Thermische Verlustleistung von Bauteilen

Wie warm das Bauteil in der Baugruppe wird, hängt von seiner thermischen Verlustleistung, dem „Bottom“-Wärmewiderstand zwischen Bauteil und Leiterplatte, dem „Top“-Widerstand zwischen Bauteiloberseite und der Luft und nicht zuletzt von der Wärmespreizung durch das Kupfer in der Leiterplatte ab. Je nach Bauteiltyp kann man den Bottom- oder den Top-Widerstand (und damit die Temperaturerhöhung) durch geeignete Kühlhardware (Underfill bzw. Kühlkörper) verkleinern.

Aber auch durch entsprechendes Kupfer im Layout kann man den Hotspot (damit die Angriffsfläche für Kühlluft und Abstrahlung) vergrößern; somit reduziert man die Temperatur und verringert auch die durch die Temperaturunterschiede hervorgerufenen thermischen Spannungen in der Leiterplatte. Für kleine Bauteile wie LEDs ist dies die einzige Möglichkeit zur Kühlung (eventuell in Kombination mit Wärmevias).

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