Effizientes Wärmemanagement Cool bleiben

Beim Wärmemanagement sind spezielle Gehäuse- und Leiterplatten-Technologien gefragt.
Für ein effektives Wärmemanagement sind spezielle Gehäuse- und Leiterplatten-Technologien gefragt.

In heutigen Applikationen reicht die Reduzierung der Leistungsaufnahme und damit Wärmeabgabe bei Logik-/Leistungs-Bauteilen allein nicht aus – es sind spezielle Gehäuse- und Leiterplatten-Technologien gefragt.

Miniaturisierung und zunehmende Leistungsdichte spielen eine wichtige Rolle für moderne Anwendungen in der Elektronik und stellen gleichzeitig auch eine große Herausforderung dar, denn es gilt die entstehende Wärme von den Bauelementen und Leiterplatten effizient abzuführen. Lebensdauer und Zuverlässigkeit elektronischer Bauteile können sich durch eine Erhöhung der Betriebstemperatur um nur wenige Grad Celsius drastisch verringern. Ausfallstudien zeigen, dass mehr als 50 % der auftretenden Systemfehler auf hohe Temperaturen zurückzuführen sind.

Darüber hinaus wird die Wärmeableitung oftmals erschwert, indem die gesamte Leiterplatte in bestimmten Anwendungsfällen eingekapselt ist, um sie vor Feuchtigkeit, Staub und mechanischem Stress zu schützen. Bei mobilen Geräten oder Wearables sind zudem aktive Kühlung mit Lüftern oder thermoelektrische Lösungen aus Platz- und Energiegründen praktisch nicht möglich.

Schnellstmöglicher Wärme-Abtransport

In modernen Applikationen reicht die Reduzierung der Leistungsaufnahme und damit Wärmeabgabe bei den Logik- und Leistungs-Bauelementen sowie mittels optimierter Software allein nicht aus – es sind spezielle Gehäuse (Package)- und Leiterplatten-Technologien gefragt. Kleinere, thermisch optimierte Gehäuse, Wärmespreizung über die Leiterplatte und der schnelle Wärmeabtransport sind die Lösungen der Wahl. Neue Technologien ermöglichen sehr kompakte IC-Packages mit kleinem thermischen Widerstand zwischen dem Halbleiter-Chip und der Umgebung. Damit kann die Sperrschicht-Temperatur gesenkt werden.

Leiterplatten-Technologien wie mSAP (modified Semi-Additive-Prozesse) führen zu sehr kompakten Aufbauten mit geringeren thermischen Widerständen. Außerdem wachsen Gehäuse- und Leiterplatten-Technologien immer mehr zusammen, was weitere Möglichkeiten für das Wärmemanagement eröffnet. Vor diesem Hintergrund halten Heat-Pipes, Vapor Chambers, laminierte Graphit-Folien und PCMs (Phase Change Materials) Einzug in High-End-Anwendungen (Bild 1).

Während auf der einen Seite die Miniaturisierung zu geringeren thermischen Widerständen führt, steigt andererseits die Energiedichte. So muss die entstehende Wärme vom IC-Package zur Leiterplatte oder dem System-Gehäuse abgeführt werden. Hohe Energiedichten bedingen einen hohen Energiefluss. Auf der Leiterplatte wird für die entsprechende Wärmeabfuhr üblicherweise Kupfer als guter elektrischer und thermischer Leiter genutzt. Allerdings wurde der Kupferanteil in Leiterplatten aus Routing-Gründen oftmals reduziert. Zudem setzten viele Firmen Systemgehäuse aus Kunststoff oder Glas statt Aluminium ein, um die Kosten zu reduzieren oder kabelloses Laden (Wireless Charging) zu ermöglichen. Elektrische Komponenten (wie für das kabellose Laden oder Antennen) sowie thermische Lösungen (Heat Pipes, Graphit- oder Keramik-Layer sowie PCM) werden künftig in die Leiterplatte eingebettet werden. Darüber hinaus wird man vermehrt komplementäre Funktionen wie Logik und HF-Komponenten auf einer Leiterplatte finden, mit den entsprechenden Anforderungen an das Wärmemanagement.

Kupfer allein wird bald nicht mehr ausreichen

Das Wärmemanagement von Leiterplatten erfolgt im Wesentlichen durch Zugabe von zusätzlichem Kupfer in die Leiterplatte, und zwar durch konstruktive Maßnahmen wie dicke Kupferschichten, durchkontaktierte Löcher, lasergebohrte Durchkontaktierungen mit Kupferfüllung oder Kupfer-Inlays. Diese Methoden können für eine gute Wärmeableitung sorgen, sind aber auch mit einigen Nachteilen verbunden: Speziell im Fall dicker Kupferschichten, die zur Ableitung der Wärme dienen, wird die Herstellung der Leiterplatten teurer und schwieriger, da neue Anlagen zur Handhabung der schweren, dicken Kupferplatten notwendig sind.

Zudem erfordert das High-Density-Packaging extrem schmale Kupferbahnen in den Schaltkreisen der Leiterplatten. Das lässt sich nicht so einfach bewerkstelligen, wenn dicke Kupferschichten geätzt werden müssen. In Anwendungsfällen in der Luft- und Raumfahrt spielt außerdem die Masse eine wichtige Rolle, und auch in modernen Automobilen wie Elektrofahrzeugen gewinnt sie zunehmend an Bedeutung. Darüber hinaus können größere Mengen an Kupfer, die zur Kühlung verwendet werden, sehr teuer werden.

Dicke Kupferstrukturen stellen eine massive Einschränkung hinsichtlich des ätztechnischen Herstellens von Feinleiterstrukturen dar, welche jedoch gerade bei fortgeschrittenem Miniaturisierungsgrad oft unausweichlich sind. Zudem muss festgehalten werden, dass erhöhte Kupferquerschnitte die Wärmeabfuhr zwar verbessern können, diese Methode jedoch bald ihre physikalischen Grenzen erreicht.

Darüber hinaus wird Kupfer als Rohmaterial in vielen industriellen und kommerziellen Anwendungen benötigt. Einschlägige Studien über den Kupferbedarf prognostizieren einen stetigen Anstieg des Kupferumsatzes bis 2030. All diese Argumente lassen steigende Preise für Kupfer erwarten und geben Anlass, alternative thermische Management-Lösungen zu massivem Kupfer zu suchen. Andere Materialien wie etwa spezielle dünne Graphit-Folien und Komponenten wie Heat-Pipes erzielen eine deutlich niedrigere Temperaturdifferenz bei vergleichbaren Geometrien und Wärmeströmen und somit ein verbessertes Wärmespreizvermögen.

Kasten – Effiziente Wärmeabfuhr mit Heat-Pipes

Eingebettete oder eingesetzte Heat-Pipes sind in der Lage, Wärme in der Leiterplatte über größere Strecken abzuführen, und zwar wirkungsvoller als herkömmliche Wärmeleiter (z. B. Kupfer), die auf Phononen und Elektronendiffusion beruhen. Heat-Pipes sind passive Komponenten, bei denen der Wärmetransport auf Phasenübergängen und Massetransport – sprich Konvektion – beruht. Im Wesentlichen bestehen Heat-Pipes aus hermetisch geschlossenen, länglichen Behältern (üblicherweise zylindrische, an den Enden verschweißte Kupferrohre), welche vor dem Verschließen bei niedrigem Druck mit einer Flüssigkeit (häufig reines Wasser) gefüllt wurden. Durch Wärmezufuhr an einem Ende wird Flüssigkeit verdampft (Verdampfer), ohne dass die Temperatur maßgeblich steigt.

Der entstehende Dampf erhöht den Druck leicht und strömt in Richtung zum kalten Ende (Kondensor). Dort gibt die Heat-Pipe per Kondensation die Wärme an ihre Umgebung ab. Auf der Strecke zwischen Verdampfer und Kondensor muss kein Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfinden. Die kondensierte Flüssigkeit benetzt das Rohr und fließt aufgrund der Oberflächenspannung längs der Innenseite zum Verdampfer zurück.

Dieser dynamische Prozess wiederholt sich kontinuierlich und führt zu einer Wärmeabfuhr, die hundert bis mehrere tausend Mal so hoch ist wie bei einem Kupferteil mit entsprechenden Maßen. Da die Heat-Pipe praktisch hohl ist, bietet sie den zusätzlichen Vorteil, dass sie wesentlich leichter ist als vergleichbare Kupferstäbe. Miniaturisierte Heat-Pipes sind bereits mit Durchmessern von 2 mm mit rundem Querschnitt herunter zu bis zu wenigen Zehntelmillimetern und rechteckigem Querschnitt erhältlich und kommen in Smartphones und Tablets zum Einsatz.