Ein Ansatz zum Wärmemanagement von Hochleistungs-Leiterplatten
Designer stehen vor komplexen Problemen bei der Erfüllung der Leistungsanforderungen, die ein effektives Wärmemanagement beinhalten, beginnend mit dem PCB-Design.
Der gesamte Bereich der Leistungselektronik, einschließlich HF-Anwendungen und Systeme mit Hochgeschwindigkeitssignalen, entwickelt sich hin zu Lösungen, die immer komplexere Funktionalitäten auf immer kleinerem Raum bieten. Designer stehen vor zunehmend anspruchsvollen Herausforderungen, um die Anforderungen an Systemgröße, Gewicht und Leistung zu erfüllen, einschließlich eines effektiven Wärmemanagements, beginnend mit dem Design der Leiterplatte.
Aktive Leistungsbauelemente mit hoher Integrationsdichte, wie z. B. MOSFET-Transistoren, können eine beträchtliche Wärmemenge ableiten und erfordern daher Leiterplatten, die Wärme von den heißesten Komponenten auf Masseebenen oder wärmeableitende Oberflächen übertragen können und so effizient und effektiv wie möglich arbeiten. Thermischer Stress ist eine der Hauptursachen für Fehlfunktionen von Leistungsgeräten, da er zu einer Verschlechterung der Leistung oder sogar zu einer möglichen Fehlfunktion oder einem Ausfall des Systems führt. Das schnelle Wachstum der Leistungsdichte von Geräten und die ständige Erhöhung der Frequenzen sind die Hauptgründe für eine übermäßige Erwärmung elektronischer Komponenten. Die immer weiter verbreitete Verwendung von Halbleitern mit reduzierten Leistungsverlusten und besserer Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Wide-Bandgap-Materialien, reicht allein nicht aus, um die Notwendigkeit eines effektiven Wärmemanagements zu eliminieren.
Aktuelle Leistungsbauelemente auf Siliziumbasis erreichen eine Sperrschichttemperatur zwischen etwa 125 °C und 200 °C. Es ist jedoch immer vorzuziehen, die Vorrichtung unterhalb dieser Grenze arbeiten zu lassen, da dies zu einer schnellen Verschlechterung derselben und einer Verringerung ihrer Restlebensdauer führen würde. Tatsächlich wird geschätzt, dass ein Anstieg der Betriebstemperatur um 20 °C, verursacht durch ein falsches Wärmemanagement, die Restlebensdauer der Komponenten um bis zu 50 Prozent reduzieren kann .
Layout-Ansatz:
Ein Ansatz für das Wärmemanagement, der in vielen Projekten häufig verfolgt wird, ist die Verwendung von Substraten mit Standard-Flammschutzstufe 4 (FR-4), einem kostengünstigen und leicht zu verarbeitenden Material, das sich auf die thermische Optimierung des Schaltungslayouts konzentriert.
Die wichtigsten ergriffenen Maßnahmen betreffen die Bereitstellung zusätzlicher Kupferflächen, die Verwendung von Leiterbahnen mit größerer Dicke und das Einfügen von thermischen Durchkontaktierungen unter den Komponenten, die die größte Wärmemenge erzeugen. Eine aggressivere Technik, die eine größere Wärmemenge abführen kann, besteht darin, echte Kupferblöcke in die Leiterplatte einzufügen oder auf die äußersten Schichten aufzubringen, typischerweise in Form einer Münze (daher der Name "Kupfermünzen"). Die Kupfermünzen werden separat verarbeitet und dann gelötet oder direkt auf die Leiterplatte geklebt, oder sie können in die Innenlagen gesteckt und über Thermovias mit den Außenlagen verbunden werden. Abbildung 1 zeigt eine Leiterplatte, in der ein spezieller Hohlraum zur Aufnahme einer Kupfermünze hergestellt wurde.
Kupfer hat einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten von 380 W/mK, verglichen mit 225 W/mK für Aluminium und 0,3 W/mK für FR-4. Kupfer ist ein relativ billiges Metall und wird bereits häufig in der Leiterplattenherstellung verwendet. Daher ist es die ideale Wahl für die Herstellung von Kupfermünzen, thermischen Durchkontaktierungen und Masseebenen, alles Lösungen, die die Wärmeableitung verbessern können.
Die richtige Positionierung der aktiven Komponenten auf der Platine ist ein entscheidender Faktor, um die Bildung von Hotspots zu verhindern und so eine möglichst gleichmäßige Wärmeverteilung über die gesamte Platine zu gewährleisten. Dabei sollten die aktiven Komponenten in keiner bestimmten Reihenfolge auf der Leiterplatte verteilt werden, um die Bildung von Hotspots in einem bestimmten Bereich zu vermeiden. Es ist jedoch besser zu vermeiden, aktive Komponenten, die eine erhebliche Menge an Wärme erzeugen, in der Nähe der Kanten der Platine zu platzieren. Umgekehrt sollten sie möglichst nah an der Plattenmitte positioniert werden, um eine gleichmäßige Wärmeverteilung zu begünstigen. Wenn ein Hochleistungsgerät in der Nähe der Kante der Platine montiert wird, baut es am Rand Wärme auf und erhöht die lokale Temperatur. Wird es dagegen in der Nähe der Plattenmitte platziert, verteilt sich die Wärme auf der Oberfläche in alle Richtungen, wodurch die Temperatur gesenkt und die Wärme besser abgeführt wird. Leistungsgeräte sollten nicht in der Nähe von empfindlichen Komponenten platziert werden und sollten einen angemessenen Abstand voneinander haben.
Auswahl des PCB-Substrats:
Aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit – zwischen {{0}},2 und 0,5 W/mK – eignet sich FR-4 im Allgemeinen nicht für Anwendungen, bei denen viel Wärme abgeführt werden muss. Die Wärme, die sich in Hochleistungsschaltkreisen aufbauen kann, ist beträchtlich, was durch die Tatsache verstärkt wird, dass diese Systeme oft in rauen Umgebungen und extremen Temperaturen betrieben werden. Die Verwendung eines alternativen Substratmaterials mit höherer Wärmeleitfähigkeit kann eine bessere Wahl sein als die Verwendung des herkömmlichen FR-4.
Keramische Materialien bieten zum Beispiel erhebliche Vorteile für das Wärmemanagement von Hochleistungs-Leiterplatten. Neben einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit bieten diese Materialien hervorragende mechanische Eigenschaften, die dazu beitragen, die bei wiederholten Temperaturwechseln akkumulierte Spannung zu kompensieren. Darüber hinaus haben keramische Materialien geringere dielektrische Verluste, die bei Frequenzen bis zu 10 GHz betrieben werden. Für höhere Frequenzen ist es immer möglich, sich für Hybridmaterialien (z. B. PTFE) zu entscheiden, die bei einer geringfügigen Verringerung der Wärmeleitfähigkeit ebenso geringe Verluste bieten.
Je höher die Wärmeleitfähigkeit eines Materials ist, desto schneller erfolgt die Wärmeübertragung. Daraus folgt, dass Metalle wie Aluminium nicht nur leichter als Keramik sind, sondern auch eine hervorragende Lösung für die Wärmeableitung von Komponenten bieten. Insbesondere Aluminium ist ein ausgezeichneter Leiter, hat eine ausgezeichnete Haltbarkeit, ist wiederverwertbar und ungiftig. Dank ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit tragen die Metallschichten dazu bei, die Wärme schnell durch die Platine zu übertragen. Einige Hersteller bieten auch metallkaschierte Leiterplatten an, bei denen beide äußeren Schichten metallkaschiert sind, typischerweise Aluminium oder galvanisiertes Kupfer. Unter dem Gesichtspunkt der Kosten pro Gewichtseinheit ist Aluminium die beste Wahl, während Kupfer eine höhere Wärmeleitfähigkeit bietet. Aluminium wird häufig für die Konstruktion von Leiterplatten verwendet, die Hochleistungs-LEDs unterstützen (ein Beispiel ist in Abbildung 2 dargestellt), bei denen es auch wegen seiner Fähigkeit, das Licht vom Substrat weg zu reflektieren, besonders nützlich ist.
Metall-Leiterplatten, auch bekannt als isolierende Metallsubstrate (IMS), können direkt in die Leiterplatte laminiert werden, was zu einer Platine mit FR-4-Substraten und Metallkern mit Single-Layer- und Double-Layer-Technologie mit Tiefensteuerungsrouting führt, die dazu dient, Wärme von Bordkomponenten weg und zu weniger kritischen Bereichen zu leiten. Bei IMS-Leiterplatten wird eine dünne Schicht eines wärmeleitenden, aber elektrisch isolierenden Dielektrikums zwischen eine Metallbasis und eine Kupferfolie laminiert. Die Kupferfolie wird in das gewünschte Schaltungsmuster geätzt und die Metallbasis absorbiert Wärme von dieser Schaltung durch das dünne Dielektrikum.
Die Hauptvorteile von IMS-Leiterplatten sind die folgenden:
1. Die Wärmeableitung ist deutlich höher als bei Standard-FR-4 coAnweisungen.
2. Die Dielektrika sind in der Regel 5- bis 10-mal wärmeleitfähiger als normales Epoxidglas.
3. Die Wärmeübertragung ist exponentiell effizienter als bei einer herkömmlichen Leiterplatte.
4. Neben der LED-Technologie (Leuchtschilder, Displays und Beleuchtung) werden IMS-Leiterplatten häufig in der Automobilindustrie (Scheinwerfer, Motorsteuerung und Servolenkung), in der Leistungselektronik (Gleichstromversorgung, Wechselrichter und Motorsteuerung) eingesetzt. , in Schaltern und in Halbleiterrelais.
