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Auch und gerade die Kleinen brauchen richtige Kühlung.

Auch und gerade die Kleinen brauchen richtige Kühlung.

Bild: iStock, Fouroaks
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Entwärmung von Leiterplatten Abkühlung fürs Kleinformat

20.03.2017

Bei der Entwärmung stellt die Miniaturisierung Entwickler durch die weiter ansteigende Komplexität von integrierten Schaltkreisen vor immer größere Herausforderungen. Verlustleistungen werden höher, der Platz für Maßnahmen zur Entwärmung immer geringer. Entscheidend für das Entwärmungskonzept ist deshalb das richtige Zusammenspiel von wärmeleitfähigem Material, Kühlkörpern und Flächennutzung.

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Die in allen elektronischen Bauteilen entstehenden Verlustleistungen müssen schnellstmöglich von der Entstehungsquelle abgeführt und an die Umgebung abgegeben werden. Eine Überschreitung der vom Bauteilhersteller angegebenen maximalen Junktiontemperatur von gerade mal 10 °C, verringert die Lebensdauer des Bauteils um etwa die Hälfte. Die Forderung nach hohen Lebenszyklen und geringen Ausfallraten bei elektronischen Geräten lässt sich so nicht erfüllen. Immer schwieriger wird das auch aufgrund des Miniaturisierungs-Trends. Wegen diesem steht immer weniger Platz zur Entwärmung zur Verfügung. Ziel ist es, für den Wärmewiderstand des Gesamtsystems einen möglichst geringen Wert zu erhalten. Je kleiner der Wert, desto besser wird das Bauteil entwärmt. Der Gesamtwärmewiderstand berechnet sich aus der Summe der Einzelwärmewiderstände. Hierzu zählt unter anderem der innere Wärmewiderstand des Bauteils RthG, des Wärmeleitmaterials RthM, sowie des Kühlkörpers RthK. Der Wärmewiderstand des Bauteil kann dem Datenblatt des Herstellers entnommen werden, der des Kühlkörpers wird von den Kühlkörperherstellern angegeben.

Die Richtung der Wärme

Top- und Bottomwärmewiderstand bei SMD-Bauteilen (Surface Mounted Device) geben an, in welche Richtung wie viel Wärme vom Bauteil geleitet wird. Der Bottomwiderstandes bezeichnet die Wärmeabgabe des Bauteils in Richtung der Leiterplatte. Ein wichtiger Wert ist hier der Wärmewiderstand Junction – Soldering Point. Dieser bezieht sich auf den Bereich zwischen der Junction, an der die Wärme entsteht, und dem Punkt an dem das Bauteil angelötet wird. Der Topwärmewiderstand gibt die Wärme an, die nicht in Richtung der Leiterplatten abgegeben wird, sondern in die entgegengesetzte Richtung, also über das Case an die Umgebung.

Wärmeleitung und Kühlkörper

Die Leiterplatte sollte bei der Auslegung des Thermischen Managements mit einbezogen werden. Vereinfacht gesagt, sind Multilayer-Leiterplatten in verschiedenen Schichten aufgebaute Leiterplatten. Aus Glasgewebe und Kunstharzen verpresstes Material wird mit eingebetteten Kupferschichten aufgebaut. Die Kupferschichten dienen unter anderem der Wärmespreizung. Über Thermal Vias wird die äußerste Schicht mit der Kupferschicht verbunden und somit die Wärmeableitung verbessert. Die Wärme wird vom Bauteil weggeführt und zu Bereichen mit mehr Platz für Kühlelemente hingeführt. An diesen Stellen werden Kühlkörper, zur Vergrößerung der Oberfläche, direkt mit der Leiterplatte verlötet. Über Tape and Reel, also Blistergurte auf Rollen, lassen sich die verzinnten Kühlkörper direkt in Bestückungsautomaten einsetzen, die sie dann direkt mit den anderen Bauteilen auf der Leiterplatte platzieren. Danach werden sie in einem der verschiedenen Lötverfahren verlötet. Dazu eignen sich unter anderem das Reflow- oder auch das Wellenlöten.

Aufsetzbare Kühlkörper werden hingegen nach dem Verlöten direkt auf dem Bauteil platziert. Dies kann über verschiedene Wärmeleitmaterialien geschehen. Wärmeleitmaterialien mit einer hohen Leitfähigkeit ermöglichen eine schnelle Weiterleitung der Wärme an den Kühlkörper und damit an die Umgebung. In Abhängigkeit von der Anwendung können Wärmeleitfolien (bis 16 W/mK), Wärmeleitpasten (bis 10 W/mK) aber auch wärmeleitende Kleber (bis 7,5 W/mK) verwendet werden.

Die eingesetzten Materialien sollten aber nicht nur nach der Wärmeleitfähigkeit, sondern auch nach der Schichtdicke ausgewählt werden. Zu beachten sind bei ihr die Unebenheiten und Toleranzen der Bauteile und des Kühlkörpers, da ein Einschluss von Luftschichten, auch ein ansonsten gut ausgelegtes Wärmemanagement zu Nichte machen kann. Bei der spezifischen Wärmeleitfähigkeit von Luft von nur 0,0263W/mK, steigt auch bei geringen Lufteinschlüssen der Wärmewiderstand auf einen sehr hohen Wert an. Beim Einsatz von größeren Kühlkörpern, die für mehrere unterschiedlich hohe Bauteile verwendet werden sollen, sind Schaum- oder Gel-Folien empfehlenswert, da diese kompressibel sind und so Höhentoleranzen ausgleichen können.

Kühlung schon im Gehäuse

In Geräten mit eingeschränktem Platzbedarf ist es sinnvoll, alle Flächen zu nutzen. Auch das Gehäuse des Gerätes, kann als Kühlelement verwendet werden. Der Trend geht in diesem Bereich hin zu direkt in die Gehäusekontur integrierten Kühlelementen. Die Verwendung des Gehäuses als Bestandteil des Entwärmungskonzepts ermöglicht in manchen Fällen eine Erhöhung der IP-Schutzklasse der Geräte. Aussparungen im Gehäuse können minimiert oder sogar weggelassen werden, da die Wärme direkt, mittels natürlicher Konvektion, über die integrierten Kühlrippen an die Umgebung abgegeben wird.

Bildergalerie

  • Kühlkörper für Leiterplatten lassen sich sehr einfach auf Platinen aufbringen. Dazu müssen sie nur in den Bestückungsautomat eingesetzt werden.

    Bild: Thomas Fischer, Fischer Elektronik

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