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Oberflächenmontierte Bauteile

Wärmewiderstände im Griff haben

28. Februar 2022, 9:00 Uhr | Von Rolf Horn

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Wärmewiderstand modellieren

Die Wärmeübertragung in elektronischen Komponenten, etwa in oberflächenmontierten Widerständen, lässt sich durch ein angenähertes Modell des Wärmewiderstands beschreiben. Dabei wird der direkte Wärmetransport von der Widerstandsschicht an die Umgebungsluft per Wärmeleitung durch die Lackschicht und durch freie Luftkonvektion vernachlässigt. So breitet sich die Wärme über das Substrat aus Aluminiumoxid, den Metallchipkontakt, die Lötstelle und schließlich durch die Leiterplatte (FR4 mit Kupferauflage) aus. Die Wärme der Leiterplatte wird durch natürliche Konvektion an die Umgebungsluft übertragen (Bild 2).

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Zur Vereinfachung lässt sich der resultierende Wärmewiderstand R_thFA als eine Serienschaltung von Wärmewiderständen mit den entsprechenden Temperaturen an den Grenzflächen beschreiben. Das entsprechende Ersatzschaltbild für den Wärmewiderstand ist in Bild 2 dargestellt. Er besteht aus folgenden Komponenten:

➔ R_thFC ist der innere Wärmewiderstand der Widerstandskomponente, einschließlich der Widerstandsschicht, des Substrats und des unteren Kontakts
➔ R_thCSist der Wärmewiderstand der Lötstelle
➔ R_thSB ist der Wärmewiderstand der Leiterplatte, einschließlich Kontaktschicht, Leiterbahnen und Basismaterial
➔ R_thBA ist der Wärmewiderstand der Wärmeübertragung von der Leiterplattenoberfläche zur Umgebung (Umgebungsluft) und
➔ R_thFA ist der resultierende Wärmewiderstand zwischen Widerstandselement und Umgebung (Umgebungsluft).

Die für die Knoten im Ersatzschaltbild für den Wärmewiderstand angegebenen Temperaturen gelten für die jeweiligen Schnittstellen:

➔ ϑ_Film ist die maximale Temperatur des Dünnschicht-Widerstandelements in der heißen Zone
➔ ϑ_Contact ist die Temperatur an der Schnittstelle zwischen dem unteren Kontakt und der Lötstelle (gilt für Lötstellen mit Mindestgröße, andernfalls können gewisse parallele thermische Widerstände auftreten)
➔ ϑ_Solder ist die Temperatur an der Schnittstelle zwischen der Lötstelle und der Kontaktfläche (Kupferschicht der Leiterplatte)
➔ ϑ_Board ist die Temperatur der Leiterplattenoberfläche und
ϑAmbient ist die Temperatur der Umgebungsluft.

Der innere Wärmewiderstand R_thFC ist ein bauteilspezifischer Wert, der sich hauptsächlich durch das Keramiksubstrat (spezifische Wärmeleitfähigkeit und Geometrie) bestimmt.

Beim konventionellen Löten ist der Wärmewiderstand der Lötstelle R_thCSaufgrund der relativ hohen spezifischen Wärmeleitfähigkeit des Lots und des großen Verhältnisses von Querschnittsfläche und Länge des Fließwegs (ca. 1 K/W) vernachlässigbar. Dies gilt vor allem für einen kleinen Abstand. Eine größere Lötstelle kann als ein Wärmewiderstand zwischen dem unteren Kontakt und einem zusätzlichen parallelen Wärmewiderstand (vom Seitenkontakt zur Kontaktfläche) betrachtet werden, wodurch sich die Wärmeleitung geringfügig verbessert. Auf diese Weise lässt sich der resultierende Wärmewiderstand des Bauteils R_thFS, einschließlich der Lötstelle, annähernd bestimmen:

$space space R subscript t h F S end subscript space equals space R subscript t h F C end subscript plus R subscript t h C S end subscript almost equal to R$

Zu beachten ist, dass bei unsachgemäßem Löten der resultierende Wärmewiderstand steigt. Insbesondere können Hohlräume im Lot (Voids) oder eine unzureichende Benetzung des Lots den thermischen Kontaktwiderstand deutlich erhöhen oder die Querschnittsflächen der Fließwege verringern. Dies verschlechtert die thermische Performance.

Der resultierende Wärmewiderstand R_thFA umfasst die thermischen Eigenschaften der Widerstandskomponente selbst und der Leiterplatte, einschließlich ihrer Fähigkeit, Wärme an die Umgebung abzugeben. Der Wärmewiderstand R_thSA hängt stark vom Leiterplattendesign ab, das den resultierende Wärmewiderstand R_thFA enorm beeinflussen kann, insbesondere bei extrem niedrigen bauteilspezifischen Werten für R_thFC. Der Wärmewiderstand der Platine gegenüber der Umgebung, R_thBA, umfasst auch Umgebungsbedingungen wie die Luftströmung. Die Verantwortung für die Wahl der Materialien und Abmessungen liegt beim Schaltungsentwickler.