Fischer Elektronik / Wärmemanagement Entwärmung im Kleinformat

Bild 1: Für die automatische Bestückung lassen sich Kühlkörper in Blistergurten verpacken.
Bild 1: Für die automatische Bestückung lassen sich Kühlkörper in Blistergurten verpacken.

Bei der Entwärmung stellt die Miniaturisierung Entwickler vor immer größere Herausforderungen, denn die Leistungsdichte nimmt immer mehr zu. Daher müssen beim Wärmemanagement die Flächennutzung, Kühlkörper und wärmeleitendes Material gut zusammenspielen.

Von elektronischen Geräten erwarten Nutzer geringe Ausfallraten und eine hohe Zahl an Arbeitszyklen. Zudem wächst die Komplexität von integrierten Schaltkreisen stetig und der zur Verfügung stehende Platz für ein Entwärmungskonzept schrumpft immer weiter. Diese gegensätzlichen Forderungen sind ohne ein gut ausgelegtes Wärmemanagement nicht zu erfüllen. Die Lebensdauer eines elektronischen Bauteils halbiert sich bei jeweils 10 K Temperaturerhöhung. Aus diesem Grund müssen die in allen elektronischen Bauteilen entstehenden Verluste schnellstmöglich abgeführt werden.

Über die Berechnung des Wärmewiderstandes lässt sich überprüfen, ob das Entwärmungskonzept richtig ausgelegt ist. Ziel ist es, einen möglichst geringen Gesamt-Wärmewiderstand zu erhalten, wobei sich dieser aus der Summe der einzelnen Wärmewiderstände berechnet. Zu diesen zählen unter anderem der innere Wärmewiderstand des Bauteils Rth,G, der Wärmewiderstand des Wärmeleitmaterials Rth,M und der Wärmewiderstand des Kühlkörpers Rth,K. Den Wert für Rth,K liefert der Kühlkörperhersteller, während sich der Wert für das Wärmeleitmaterial über folgende Formel berechnen lässt:

R subscript t h end subscript space equals fraction numerator l over denominator lambda times A end fraction

Dabei ist Rth der Wärmewiderstand in K/W, l die Schichtdicke in m, λ die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials in W/(m·K) und A die wärmeabgebende Oberfläche in m².

Für den Wärmewiderstand des Bauteils werden bei SMD-Bauteilen vom Hersteller Top- und Bottom-Wärmewiderstände angegeben. Hierüber bestimmt sich, wie viel Wärme in welche Richtung des Bauteils abgegeben wird. Über den Top-Wärmewiderstand bestimmt sich die Menge an Verlusten, die nicht in Richtung der Leiterplatte, sondern in entgegengesetzter Richtung über das Gehäuse an die Umgebung abgegeben wird. Der Bottom-Wärmewiderstand gibt an, wie viel Verluste in Richtung der Leiterplatte abgegeben werden können. Der wichtigste Wert ist hier der Wärmewiderstand der Sperrschicht, wo die Verluste entstehen, zur Lötstelle zu Leiterplatte hin.

In die Auslegung des thermischen Managements ist die Leiterplatte mit einzubeziehen. Multilayer-Leiterplatten bestehen aus verschiedenen Schichten; in Schichten aus Kunstharz und Glasfasergewebe werden Kupferschichten als Potenzialebenen (zum Beispiel Masse) und zur Wärmespreizung eingebettet. Thermal Vias (thermisch leitfähige Durchkontaktierungen) verbinden die äußere Schicht, wo die Wärme auftritt, mit den eingebetteten Kupferschichten. Diese führen die Wärme vom Bauteil zu Bereichen auf der Leiterplatte mit Platz für Kühlelemente ab. Direkt auf die Leiterplatte gelötete Kühlkörper vergrößern die Oberfläche, die die Wärme an die Umgebung abgibt.

Kühlkörper und Wärmeleitmaterialien

Für die Platzierung der verzinnten und somit lötfähigen Kühlkörper eignen sich normale Bestückungsautomaten. Hierzu bieten Kühlkörperhersteller an, ihre Bauteile als Tape and Real in Blistergurten zu verpacken (Bild 1). Diese können dann direkt in den Bestückungsautomat eingelegt werden. Schwierigkeit kann es geben, wenn die Kühlkörper mit der Rippenseite nach oben im Blistergurt liegen müssen, um die richtige Positionierung auf der Leiterplatte zu gewährleisten. Abhilfe schaffen können hier Bestückungshilfen, die auf dem Kühlkörper angebracht.

Bei Bauteilen, die ihre Wärme über das Gehäuse abgeben, ist es sinnvoll, das Kühlelement direkt auf dem Bauteil anzubringen. Hierzu werden die Bauteile vorab mit der Leiterplatte verlötet und im Anschluss die Kühlkörper auf diesen angebracht. Hierzu stehen verschiedene Arten von Kühlkörpern zur Verfügung. Für SMD-Bauteile eignen sich oft kleine stranggepresste Kühlkörper, die mittels Wärmeleitkleber direkt aufgebracht werden. Bei Durchsteckbauteilen (Through Hole Technology, THT) sind Aufsteckkühlkörper eine Möglichkeit (Bild 2). Ist auf der Leiterplatte mehr Platz direkt am Bauteil vorhanden, eignen sich auch Kühlkörper mit Clips. Zur mechanischen Stabilisierung besitzen beide Arten von Kühlkörpern Lötfahnen.

Um das Bauteil an den Kühlkörper thermisch anzubinden, stehen verschiedene Wärmeleitmaterialien zur Verfügung (Bild 3). Abhängig von der Anwendung eignen sich wärmeleitende Kleber (bis 7,5 W/(m·K)), Wärmeleitpasten (bis 10 W/(m·K)) oder Wärmeleitfolien (bis 16 W/(m·K)). Bei hoher Wärmeleitfähigkeit kann die Wärme schnell an den Kühlkörper und somit an die Umgebung abgeführt werden. Bei einem gut ausgewählten Wärmeleitmaterial ist aber nicht nur die Wärmeleitfähigkeit, sondern auch die Schichtdicke zu beachten. Hierbei sollte immer gelten: So dünn wie möglich, so dick wie nötig.

Lufteinschlüsse gilt es zu vermeiden, denn mit 0,0263 W/(m·K) leitet Luft die Wärme extrem schlecht. Durch Unebenheiten und Toleranzen der elektronischen Bauteile und der Kühlkörper entstehen unter anderem Lufteinschlüsse, die es mit Wärmeleitmaterial zu füllen gilt, das immer eine höhere Wärmeleitfähigkeit hat als Luft.

Durch den in machen Geräten eingeschränkten Platz, kann es sinnvoll sein, das Gehäuse in das Entwärmungskonzept mit zu integrieren. Direkt in die Gehäusestruktur integrierte Kühlelemente verbessern die Wärmeabfuhr, da die Wärme über die natürliche Konvektion, über die integrierte Rippenstruktur, an die Umgebung abgeführt wird. Aussparungen im Gehäuse können verringert oder sogar weggelassen werden. Dies kann in bestimmten Fällen dazu führen, dass die IP-Schutzklasse des Gerätes steigt.

Es gilt, möglichst alle zur Verfügung stehenden Flächen zur Entwärmung zu nutzen, damit die elektronischen Komponenten keinen Schaden nehmen. Durch das sorgfältig abgestimmte Entwärmungskonzept wird zudem eine hohe Lebensdauer erreicht.