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Montag, 29 März 2021 11:59

Wärme-Management in PCBs

von Jeffery Beauchamp
Geschätzte Lesezeit: 3 - 5 Minuten

Wärmemanagement in Leiterplatten und Baugruppen ist eine immer größere Herausforderung: Ob LED-Anwendungen großer Lichtleistung, HF-Technologie oder Leistungselektronik – bessere Wärmeübertragung und Kühlung sind immer mehr gefragt

Bei einer Leiterplatte bzw. einer elektronischen Baugruppe hat Wärmemanagement zum Ziel, die Wärme von den wärmeerzeugenden Komponenten weg zu bekommen und nach außen abzuleiten. Eine verbesserte Wärmeübertragung reduziert das Risiko der thermischen Überlastung von aktiven Bauteilen und ist oft ein entscheidender Faktor für die Erfüllung der Lebensdaueranforderungen des Produktes.

Folgende Technologien auf Leiterplatten-Ebene verbessern die Wärmeableitung:

  • Die Metall-Core-Technik
  • Die Kupfersäulen-Technik
  • Die Copper-Coin-Technik

Metall-Core-Technik (MCPCB)

Eine einfache Möglichkeit, die Wärmeableitung stark zu verbessern ist es, statt dem Standardmaterial für mehrlagige Leiterplatten (Multilayer) FR4, andere wärmeleitende di-elektrische Materialien für die Leiterplatte zu verwenden und diese auf metallische Basis zu laminieren (Metall Core PCB). Eine derartig aufgebaute Leiterplatte hat eine erheblich höhere Wärmeleistung. MCPCBs verwenden di-elektrische Wärmeleitfolien zwischen den Kupferlagen, was die Wärmeableitung zum Metallkern, zum Metallbasissubstrat und damit auch von den Bauteilen ermöglicht.

Abb. 1: Einseitige MCPCB (Top Kupferlage)Abb. 1: Einseitige MCPCB (Top Kupferlage)

Abb. 2: Doppelseitige MCPCB (Top &  Bottom Kupferlage)Abb. 2: Doppelseitige MCPCB (Top & Bottom Kupferlage)

 

Abb. 3: Multilayer MCPCB (+4Lagen FR4)Abb. 3: Multilayer MCPCB (+4Lagen FR4)

 Abb. 4: Starr-Flex MCPCB (Doppelseitige Flexlage)Abb. 4: Starr-Flex MCPCB (Doppelseitige Flexlage)

 

MCPCBs lassen sich mit einzelner Kupferlage (Abb. 1) über einem metallischen Basissubstrat(Aluminium, Kupfer oder Stahl) oder mit doppelseitigem Kupferlagenaufbau (Top&Bottom) (Abb. 2) realisieren oder können auch als Multilayer aufgebaut werden (Abb. 3). Auch Starr-Flex-Aufbauten können mit Metallbasissubstraten realisiert werden (Abb. 4).

Die nachfolgende Abbildung 5 zeigt einen 2-lagigen MCPCB-Aufbau, bei dem die Wärmeübertragung von dem Bauteil auf der Oberseite, durch den Aufbau auf das Metallsubstrat dargestellt ist. Mit diesem Aufbau kann eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 12 W/mK realisiert werden.Abb. 5: Doppelseitige MCPCB mit aufliegender Top- und Bottom-LageAbb. 5: Doppelseitige MCPCB mit aufliegender Top- und Bottom-Lage

Wird eine höhere Wärmeübertragung benötigt, empfehlen sich der Einsatz der Kupfersäulentechnik oder der Copper-Coin-Technik.

Kupfersäulen-Technik

Die patentierte Kupfersäulentechnik bietet sich an, um das Basissubstrat direkt mit der Wärmequelle zu verbinden und die volle Wärmeleitfähigkeit des Kupferbasissubstrates (ca. 400 W/mK) auszuschöpfen. Bei dieser Technik werden aus dem Basissubstrat Säulen aus Kupfer gebildet.

Diese Form der Wärmeableitung eignet sich für 1- oder 2-lagige Leiterplatten. Der Kupfersäulenabschluss wird auf gleichem Niveau wie die aufliegende Leiterplatte ausgebildet. Hier können Leistungs- und Logikschaltungen auch elektrisch angebunden werden – somit ist die direkte Verbindung in jeder Hinsicht möglich.

Das Kupferbasissubstrat kann auch geteilt und di-elektrisch mit Epoxid getrennt werden. So kann die Kupfersäulentechnologie auch für den Aufbau von Hochstromanwendungen verwendet werden. Durch diese elektrische Trennung können auf einer Leiterplatte verschiedene Hochstrompotentiale mit angebundenem Logikteil realisiert werden.

Solche Lösungen werden aktuell und künftig besonders für die E-Mobilität benötigt, bei der man sehr hohe Leistung auf engstem Bauraum unterbringen muss (Abb. 6, 7 und 8).

Abb. 6: KupfersäulentechnikAbb. 6: Kupfersäulentechnik

Abb. 7: Kupfersäule mit Anbindung an LogikteilAbb. 7: Kupfersäule mit Anbindung an Logikteil

Abb. 8: KupfersäulentechnikAbb. 8: Kupfersäulentechnik

 

Copper-Coin-Technik

Copper-Coin-Leiterplatten enthalten ein massives Kupferstück, das während der Fertigung auf oder in die Leiterplatte eingesetzt wird. Positioniert werden sie typischerweise so, dass sie nach Bestückung unter den Komponenten liegen, die gekühlt werden müssen.

Copper-Coins können im Vergleich zu einer Via-Farm (das sind viele Vias, die zur Wärmeableitung blockweise angeordnet werden) etwa doppelt so viel Wärmeableitung bieten. Das Kupferstück kann eine direkte thermische Verbindung zwischen wärmeerzeugender Komponente und Kühlkörper herstellen. Auf anderweitiges wärmeleitendes Material kann so verzichtet werden.

Die Copper-Coin-Technik ist dann am besten geeignet, wenn die Komponenten mit der größten Wärmeerzeugung gezielt dort auf einer Leiterplatte konzentriert werden. Diese Lösung bietet lokale Wärmeübertragung, unabhängig von der Lagenanzahl oder dem Leiterplattenmaterial.

Bei der Herstellung wird ein Copper-Coin-Stück in einen vorgefertigten Ausschnitt eingepasst. Es kann in verschiedenen Formen und Konfigurationen eingearbeitet werden. Vom Konstrukteur wird bei der jeweiligen Konfiguration ein guter Ausgleich zwischen Leitungsführung, Anforderungen unterschiedlicher Leistungsebenen und Kühlungs-/Wärmeableitungsanforderungen gewählt. Abbildungen 9 und 10 zeigen einen festen Kupferweg von Lage 1 zu Lage 4, der als Montagekissen fungiert und den optimalen Wärmeableitungskanal für eine Wärmequelle bereitstellt.

In Fällen, in denen die Pad-Größe zu klein ist und unter dem heißen Pad weitere Leiterbahnen geführt werden müssen, kann eine Copper-Coin auch nur bis zu einer bestimmten Lage statt durchgehend durch die gesamte Leiterplatte geführt werden. Die Abbildungen 11 und 12 zeigen die Implementierung einer Copper-Coin, die zwischen Lage 4 und Lage 2 platziert ist, aber keinen Kontakt mit der Lage 1 hat.

 Abb. 9 + 10: Copper-Coin-LeiterplatteAbb. 9 + 10: Copper-Coin-Leiterplatte

 Abb. 11 + 12: Copper-Coin-LeiterplatteAbb. 11 + 12: Copper-Coin-Leiterplatte

Abb. 13: Leiterplatte mit Copper-Coin in T-FormAbb. 13: Leiterplatte mit Copper-Coin in T-Form

In Abbildung 13 ist das Beispiel einer T-förmigen Copper-Coin zeigt. Die T-Form ist ein Beispiel für die Gestaltungsmöglichkeiten bei der Copper-Coin-Technik. Sie wird eingesetzt, wenn sich Größe und Form der wärmeerzeugenden Fläche von der Größe und Form der wärmeableitenden Fläche unterscheiden – etwa bei einem kleinen Hotspot und der Verwendung eines großen Kühlkörpers. Copper-Coins bieten daher viele Möglichkeiten guter Kompromisse bezüglich Wärmeabführung und den dafür beanspruchten Bauraum.

Bei der Auswahl des geeigneten Ansatzes für das Wärmemanagement bietet NCAB mit regionalen und lokalen Teams die notwendige Unterstützung für Kundenprojekte.

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 3
  • Jahr: 2021
  • Autoren: Jeffery Beauchamp, Technical / Engineering Manager, NCAB Group USA Hüseyin Anaç, Field Application Engineer, NCAB Group Germany

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