Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
© NCAB Group Leiterplatten | 18 Januar 2021

Möglichkeiten zur Verbesserung der Zuverlässigkeit im Thermalmanagement von Leiterplatten

Da die Technologie exponentiell weiter voranschreitet, wird das Wärmemanagement für unbestückte Leiterplatten und elektronische Baugruppen zu einer immer größeren Herausforderung.

Ob LED-Anwendungen mit hoher Helligkeit, Hochleistungssender oder ein Hochspannungsnetzteil, die Nachfrage nach besserer Wärmeübertragung und Kühlung steigt. Bei einer Leiterplatte, bzw. bei einer elektronischen Baugruppe, hat ein Wärmemanagement das Ziel, die Wärme von den wärmeerzeugenden Komponenten extern abzuleiten. Eine verbesserte Wärmeübertragung reduziert das Risiko einer thermischen Überlastung von aktiven Bauteilen und ist oft ein entscheidender Faktor für die Erfüllung der Lebensdaueranforderungen des Produktes. Folgende Technologien verbessern die Wärmeableitung:
  • Die Metall-Core-Technik
  • Die Kupfersäulen-Technik
  • Die Copper-Coin-Technik
Metall-Core-Technik Eine einfache Möglichkeit die Wärmeableitung stark zu verbessern ist, anstatt FR4, dem Standardmaterial für mehrlagige (Multilayer) Leiterplatten, 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 Wärmeabfuhr zum Metallkern, zum Metallbasissubstrat und damit von den Bauteilen ermöglicht. Die MCPCBTechnologie kann als einzelne Kupferlage (Bild 1) über einem metallischen Basissubstrat (Aluminium, Kupfer oder Stahl), bzw. als doppelseitiger Kupferlagenaufbau (Top&Bottom) (Bild 2), oder auch als Multilayer aufgebaut werden (Bild 3). Bild 1: Einseitige MCPCB (Top Kupferlage) Bild 2: Doppelseitige MCPCB (Top&Bottom Kupferlage) Bild 3: Multilayer MCPCB (+4Lagen FR4) Des weiteren können Starr-Flex-Aufbauten mit Metallbasissubstraten realisiert werden (Bild 4). Bild 4: Starr-Flex MCPCB (Doppelseitige Flexlage) Das nachfolgende Bild 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. Wird eine höhere Wärmeübertragung benötigt, empfiehlt sich der Einsatz der Kupfersäulentechnik oder der Copper-Coin-Technik. Bild 5: Doppelseitige MCPCB mit aufliegender Top- und Bottom-Lage Kupfersäulen-Technik Bild 6: Kupfersäulentechnik Um das Basissubstrat direkt mit der Wärmequelle zu verbinden und die volle Wärmeleitfähigkeit des Kupferbasissubstrates (ca.400W/mK) auszuschöpfen, bietet sich die patentierte Kupfersäulentechnik an, bei der aus dem Basissubstrat Säulen aus Kupfer gebildet werden. Auf diesem Konstrukt können 1- oder 2-lagige Leiterplatten aufgesetzt werden. Bild 7: Kupfersäule mit Anbindung an Logikteil Der Kupfersäulenabschluss wird auf dem gleichen Niveau zur aufliegenden Leiterplatte ausgebildet, kann elektrisch angebunden werden und ermöglicht somit die direkte Verbindung von Leistungsund Logikschaltungen. Da die Möglichkeit besteht, dass Kupferbasissubstrat zu teilen und di-elektrisch mit Epoxid zu trennen, kann die Kupfersäulentechnologie auch für den Aufbau von Hochstromanwendungen verwendet werden. Durch die elektrische Trennung können auf einer Leiterplatte verschiedene Hochstrompotentiale mit angebundenem Logikteil realisiert werden. Bild 8: Kupfersäulentechnik Derartige Lösungen werden besonders für E-Mobility benötigt, bei der man sehr hohe Leistung auf engstem Bauraum unterbringen muss (Bild 6, 7 und 8). Copper-Coin-Technik Bild 9: Copper-Coin-Leiterplatte Copper-Coin-Leiterplatten bestehen aus einem vollen Kupferstück, das auf oder in die Leiterplatte eingesetzt wird. Die Positionierung erfolgt typischerweise unter den Komponenten, die gekühlt werden müssen. Copper-Coins können im Vergleich zu einer Via-Farm (viele Vias zur Wärmeableitung blockweise angeordnet) etwa doppelt so viel Wärmeableitung bieten. Anstatt wärmeleitendes Material zu verwenden, kann der Copper-Coin einen direkten Kontakt zwischen dem wärmeerzeugenden Komponentenpad und dem Kühlkörper herstellen. Bild 10: Copper-Coin-Leiterplatte Die Copper-Coin-Technik eignet sich dann am besten, wenn die größten wärmeerzeugenden Komponenten an einer lokal begrenzten Position auf einer Leiterplatte angeordnet sind. Der Copper-Coin bietet für die Leiterplatte eine Lösung zur lokalen Wärmeübertragung, unabhängig von der Lagenanzahl oder dem Leiterplattenmaterial. Das Konzept basiert darauf, dass ein CopperCoin in einen vorgefertigten Ausschnitt, direkt unter dem als Hot Spot identifizierten Bereich, eingepasst wird. So kann die Wärme durch den Aufbau der Leiterplatte direkt z.B. auf einen Kühlkörper übertragen werden. Bild 11: Copper-Coin-Leiterplatte Der Copper-Coin wird in die Leiterplatte eingesetzt und kann in verschiedenen Formen und Konfigurationen eingearbeitet werden. Die vom Konstrukteur gewählte Konfiguration spiegelt dann den Ausgleich zwischen Leitungsführung, Anforderungen unterschiedlicher Leistungsebenen, sowie des Copper-Coins der zu kühlenden Komponente wieder. Bild 9 und 10 zeigen einen festen Kupferweg von Lage 1 zu Lage 4, der als Montagekissen fungiert und den ultimativen Wärmeübertragungskanal für eine Wärmequelle bereitstellt. Bild 12: Copper-Coin-Leiterplatte In anderen Fällen, wo die Pad-Größe zu klein ist und unter dem heißen Pad weitere Leiterbahnen geführt werden müssen, kann der Copper-Coin nur bis zu einer bestimmten Lage und nicht durch die gesamte Leiterplatte gedrückt werden. Bild 11 und 12 zeigen die Implementierung eines Copper-Coins, der zwischen Lage 4 und Lage 2 platziert ist, aber keinen Kontakt mit der Lage 1 hat. Bild 13: Copper-Coin-Leiterplatte in T-Form Das Bild 13 zeigt das Beispiel eines T-förmigen Copper-Coins. Die T-Form ist ein weiteres Beispiel für die Verwendung der Copper-Coin-Technik. Die T-Form wird eingesetzt, wenn sich Größe und Form der wärmeerzeugenden Fläche von der Größe und Form der wärmeableitenden Fläche unterscheiden - z.B. ein kleiner Hotspot im Verhältnis zu einem großen Kühlkörper. Copper-Coins bieten daher einen hervorragenden Kompromiss in Bezug auf Wärmeabführung und den dafür beanspruchten Bauraum. Unabhängig davon, für welche der drei genannten Techniken Sie sich für Ihr Wärmemanagement entscheiden, empfehlen wir Ihnen immer eng mit Ihrem lokales NCAB Team zusammenzuarbeiten, um die notwendige Unterstützung für Ihr Projekt zu erhalten.
Autoren: von Jeffery Beauchamp, Technical / Engineering Manager - © NCAB Group USA und Hüseyin Anaç, Field Application Engineer - NCAB Group Germany
Anzeige
Anzeige
2021.05.12 10:24 V18.17.4-1