Effizientes Wärmemanagement

Es wird heiß auf den Leiterplatten. Zunehmende Leistung bei abnehmender Größe der Bauteile zwingen zu intensivem Nachdenken über Wärmemanagement auf der Leiterplatte. Werden die möglichen Probleme so früh wie möglich erkannt, können bessere Strategien rechtzeitig berücksichtigt werden.

Wärmeübertragung, also die Übertragung von Temperatur des wärmeren Systems auf das des kälteren Systems, kann auf drei fundamentale Arten erfolgen:

durch Konvektion, der Übertragung durch Teilchentransport;
durch Wärmestrahlung, dem Wärmeaustausch durch elektromagnetische Strahlung vorwiegend im infraroten Bereich;
durch Wärmeleitung, dem Wärmefluss infolge Temperaturunterschied in einem Kontinuum.

Während Konvektion und Wärmestrahlung die Wärme vom System wegführen, wirkt sich die Wärmeleitung in das System hinein aus.

Auf Konvektion und Wärmestrahlung kann bereits bei der Erstellung des Layouts Einfluss genommen werden. Überlegte Platzierung innerhalb des Gehäuses, Anordnung von Lüftungsschlitzen und Lüftern begünstigen die Konvektion. Form und Aussehen der Bauteile beeinflussen die Wärmestrahlung. Hier sind lackierte Bauteile mit großen Oberflächen günstiger. Die Wärmeleitung führt die Wärme in die Leiterplatte hinein. Von dort muss sie optimal den beiden anderen Transportwegen zugeführt werden, um Leiterplatte und Bauteile nicht zu überfordern. Dazu ist der Wärmepfad innerhalb der Gruppe Bauteil/Leiterplatte zu betrachten. Grundsätzlich wird dieser Pfad durch die Fläche, die zur Wärmeübertragung zur Verfügung steht, beeinflusst; außerdem durch die Dicke von Isolierschichten und der Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien. Diese Abhängigkeiten fassen sich in folgender Formel zusammen
(Rth=thermischen Widerstand):

Die erste Kontaktfläche für einen Wärmeübergang vom Bauteil zur Leiterplatte ist die Anbindung an diese. Übliche Methoden sind löten, kleben und schrauben. Hierbei zeigt sich, dass bei gleicher Fläche und Schichtdicke die Verbindung über einen metallischen Kontakt – wie Lot – der beste Überträger ist. Luftspalten zwischen Bauteil und Leiterplatte sind aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit von Luft zu vermeiden. Auch die Verwendung von Wärmeleitpasten bringt nicht viel Ableitung, da deren Wärmeleitfähigkeit nur geringfügig größer ist als die von FR4. Der einzige Vorteil dieser Pasten ist, dass sie die noch schlechter leitende Luft aus dem Spalt verdrängen.

Ab hier übernimmt die Leiterplatte die Ableitung der Wärme. Um dies optimal zu gewährleisten, gelten hier die gleichen Voraussetzungen wie bereits oben erwähnt beziehungsweise durch die obige Formel gegeben. Spezielle „thermische“ Basismaterialien werden von einigen Herstellern angeboten.

Eine andere Möglichkeit der Wärmeabführung ist die, das Bauteil direkt mit einem „Kühlblech“ in Verbindung zu bringen. Die Isolationsschicht des Basismaterials entfällt hierbei. Als Heatsink wird meist Aluminium verwendet. Nachteil dieser Lösung:
Eine Kontaktierung zu Aluminium ist nur in Sonderprozessen möglich.

Die P.M.C. Leiterplattentechnology GmbH bietet hier eine elegante Lösung an. Anstelle reinen Aluminiums wird CUPAL® eingesetzt (Patentnummer EP 1733599 beziehungsweise DE 10200 4016847A1). Als Leiterplattenmaterial bieten sich dünnes FR4 oder Polyimid an. Die einseitige Kaschierung von CUPAL® mit Kupfer gewährleistet den problemlosen Einsatz von Lötverfahren zur thermischen Ankontaktierung besonders von LEDs. Für die Wärmeabgabe an die Umgebung wirkt außer der Konvektion auch die Wärmestrahlung. Hier hat die Aluminiumunterlage des CUPAL® ebenfalls einen Vorteil. Während blankes Metall kaum Wärmeabstrahlung zulässt, ist dies bei lackiertem Material (auch Kunststoff) und eloxiertem Material optimal gewährleistet. Durch Lüfter lässt sich zudem die Wärmeabfuhr durch Konvektion noch unterstützen.