Bildergalerie
Dickkupfer-Leiterplatte, hier Beispiele mit 70, 105 und 210 µm Kupfer.
Selektiv-Dickkupfer, hier Eisbergtechnik, so genannt, da das meiste Kupfer unter der Oberfläche ist.
Kupfer-Inlay, Durchkontaktierung geht nicht, deshalb Anbindung mittels Schrauben, Bonden, Löten und so weiter.
Kennlinien von Axial- und Radiallüftern. Am Schnittpunkt mit der Betriebskennlinie des Geräts kann man die Eignung des Lüftertyps ablesen. Hier ist im Gerät A ein Radiallüfter einzusetzen, im Gerät B ein Axiallüfter.
Schalldruckpegel Lpa in 1 m Abstand bei maximalen Volumenstrom (ohne Druckerhöhung).
Die verschiedenen Geräuschquellen an Lüftern.
Wärmeverteilung auf einem Flexboard, dargestellt mit dem Simulationsprogramm 6SigmaET.
Wärmeverteilung in einem Smartphone.

In 14 Vorträgen wurde im Fachforum das Thema Wärmemanagement weitgehend abgedeckt. Moderator Dr. Christoph Lehnberger von Andus Electronic führte durch die Veranstaltung und erklärte in seiner Einführung den Begriff Wärme und die damit zusammenhängenden Größen generell.

Wesentliche Größe: der thermische Widerstand

Grundlage für die Bewertung des Wärmetransports ist der thermische Widerstand Rth = (T2 – T1)/Q in K/W. Daraus folgt, je höher der thermische Widerstand, desto schlechter ist der Wärmetransport und umso stärker Aufheizung bei gleichen Bedingungen. Der Wärmetransport erfolgt auf drei Arten:

  • als Konduktion (Wärmeleitung) in Festkörpern,
  • als Konvektion (mittels Luft/Wasser) Rth = 1/(a A) K/W und
  • als Strahlung (durch Luft/Vakuum) Rth = deltaT/Q K/W.

Als Wärmeübergang bezeichnet man den simultanen Wärmetransport durch Konvektion und Strahlung, beide Größen sind etwa gleichwertig zu betrachten, als Faustformel für glatte Flächen gilt:

Rth,konv+rad (K/W) = 1/(10 x Fläche (m2)

Die Formel gilt unter folgenden Voraussetzungen:

  • hoher Emissionskoeffizient epsilon
  • ebene Fläche
  • freie Konvektion

Generell lässt sich feststellen, dass für einen guten Wärmeübergang große Flächen erforderlich sind. Große Flächen erhält man durch Wärmeleitung.

Wärmeleitung ist Rth = d/(lambda x A).

Die Wärmeleitung ist umso besser

  • je größer die Querschnittsfläche,
  • je kürzer der Wärmepfad und
  • je besser die Wärmeleitfähigkeit ist.

So beträgt zum Beispiel die Wärmeleitung vom Bauelement auf Dickkupfer Rth = 0,1 K/W und der Wärmeübergang vom Dickkupfer auf Wasser Rth = 10 K/W.

Tipps zur Konvektion

Einige Tipps zur Konvektion lassen sich aus der Aerodynamik ableiten:

  • Leiterplatten möglichst senkrecht und im Querformat anordnen.
  • Leichte erzwungene Strömung entgegen der natürlichen Konvektion führt zu wärmeisolierenden Luftpolstern.
  • Hohe Temperaturdifferenz begünstigt die natürliche Konvektion (Kaminwirkung).
  • Der Rippenabstand von Kühlkörpern muss ausreichend sein, damit sich die natürliche Konvektion an benachbarten Rippen nicht gegenseitig behindert. Je länger der Kühlkörper, desto breiter der Rippenabstand.

Tipps zur Konvektion und Strahlung

  • Lüfter verringern den Rth.
  • Profilierte Oberflächen (zum Beispiel Kühlrippen) verbessern die Konvektion. Die Strahlung bleibt wegen Re-Absorption gleich.
  • Bei paralleler Anordnung von heißen Leiterplatten hebt sich die Strahlung gegenseitig auf.
  • Metallgehäuse ohne Kontakt zur Wärmequelle sollen innen und außen lackiert sein, soll die Strahlung wirken. Um die Wärmestrahlung zu nutzen, sind lackierte Metallflächen von Vorteil. Dabei ist die Isolierwirkung des Lacks vernachlässigbar gering.

Für Wasser wie für Luft wird die Konvektion häufig unterschätzt. Nicht ausgenutzt wird die hohe Wärmekapazität von Wasser.

Im Folgenden sind weitere wichtige Aussagen und Erkenntnisse des Fachforums aufgeführt.

Leiterplatten für hohe Ströme

Betrachtungen zum Thema Leiterplatte gab es in den Vorträgen von Dr. Lehnberger, Andus und von Dr. Johannes Adam von Adam Research, der die Strom- und Wärmeberechnung von Leiterplatten von der Simulationsseite erörterte (siehe später).

Je nach Geometrie des Kupfers und der Anordnung der Wärmequellen auf einer Leiterplatte ist zu unterscheiden in lineare Wärmeleitung und radiale Wärmespreizung. Wobei die erwärmte Fläche mit der Länge des Wärmepfades bei Leitung proportional und bei Spreizung quadratisch wächst.

In modernen Multilayern erfolgt die Wärmeverteilung auf den Kupferlagen bevorzugt als Dickkupfer-Leiterplatte mit Cu-Lagen von 70 bis 210 µm und mehr, anstatt von 35 µm (Bild 1). Gut ist es auch, leere Flächen mit Kupfer/Plugging-Masse zu füllen und diese anzuschließen. Enthält das Dickkupfer-Layout nur wenig Kupfer, ist es empfehlenswert, die Leiterbilder (Leveling) einzuebnen. Erfolgreich wird auch Selektiv-Dickkupfer (die Eisbergtechnik, Bild 2) angewendet. Hier werden auf der Außenlage zwei verschiedene (210 µm zur Spreizung und 50 µm für Fine-pitsch-Bauteile) Stärken kombiniert. Eine weitere Möglichkeit zur Wärmespreizung ist die drahtgeschriebene Leiterplatte oder ein integriertes Kupferinlay (1 bis 3 mm Dickkupfer) für hohe Ströme. Wobei bei Kupfer-Inlay keine Durchkontaktierung möglich ist und die Anbindung über Schrauben oder Klemmen in Tiefenfräsung erfolgt oder durch Einpressstecker sowie Bonden und Löten. Weit verbreitet ist auch IMS (Insulated Metal Substrat). Hier befindet sich eine einlagige LP mit Spezial-Isolierung (DuPont) auf einer Alu-Heatsink. Gegenüber FR4 ist die Wärmeleitung um ein Zehnfaches besser. Sehr verbreitet ist diese Anwendung bei LED-Applikationen, wobei die Grenze der Leistungsdichte bei etwa 1 W/mm2 erreicht ist. Zur LED-Kühlung bis etwa 0,1 W/mm2 werden auch Dünnlaminat/Flex auf preiswerten Cu-Metallträgern verwendet. Hier kann das Gehäuse der Träger sein. Generell ist die Konstruktionsfreiheit sehr groß.

Bei Antriebssteuerungen mit ihren in der Regel hohen Strömen kommen auch Leiterplatten (THT und beidseitig mit SMD bestückt) auf Metallträgern zum Einsatz. Leistungsdichten bis etwa 10 W/mm2 werden dabei erzielt. Eine Alternative ist auch die Direktmontage auf 400 µm dicken Innenlagen. IMS und die FR4-Doppellage mit Vias erzielen beide einen Rth, fr.Konv.+Rad von 80 K/W. Die IMS-Lösung ist also nur in Verbindung mit Kühlkörpern sinnvoll.

Beim Aufbau eines Designs mit getrennten Potenzialen sinkt die Leistungsdichte auf 1 W/mm2. Allerdings wird derzeit noch nach einem geeigneten Isolationsmaterial gesucht. Aufwändig gestaltet sich die Herstellung von Alu-Kern-Leiterplatten, die beidseitig dicht mit SMD bestückt werden und bei denen auch THT zum Einsatz kommt. Ebenfalls aufwändig ist die direkte thermisch/elektrische Anbindung, da sie Sonderprozesse erfordert.

Eine letzte hier vorgestellte Möglichkeit sind thermische Vias. Da sich bis zu 10 Prozent Kupfer in der Leiterplatte befinden, kann gegenüber reinem FR4 eine bis zu 100fach bessere Wärmeleitung erzielt werden. Allerdings sollte man die Vias kranzförmig außen anordnen und nicht in der Mitte.

Thermisch nicht sinnvoll ist es, die Vias zu füllen, ausgenommen Microvias. Auch sind mehrere „kleine“ Vias sinnvoller als wenige große. Der thermische Widerstand Rth für ein Via (1,6 mm FR4 mit 25 µm Hülsenstärke) beträgt zum Beispiel 300 K/W für ein Via mit 0,2 mm Durchmesser. Vorteile bringt auch der Einsatz dünnerer Leiterplatten (0,8 statt 1,6 mm). Grenzen gibt es in der Viadichte (Durchmesser je mm²) sowie beim Preis, der bei 0,5 bis 1 Cent/Durchmesser liegt. Zu beachten ist weiterhin, dass bei thermischen Vias der Lotabfluss verhindert werden muss. Realisieren lässt sich dies durch eine Lötstoppmaske auf der Rückseite oder durch Füllen und Planarisieren oder indem der Vias mit Durchsteigerlack verschlossen wird. Sinnvoll ist es auch, die Leiterplatte vor dem Löten auf die Heatsink zu laminieren.

Thermische Materialeigenschaften beachten

Generell empfiehlt es sich, bei Leiterplatten nicht in das Kupfer zu fräsen. Auch bohren sollte vermieden werden, da das Bohrloch heiß wird. Zu beachten sind auch die thermischen Materialeigenschaften, die sich in den Parametern Glasübergang (Tg bei 110 bis 200 °C), Decomposition (Td = Zersetzungstemperatur) verbunden mit Gewichtsverlust (zum Beispiel m=5 %) niederschlagen. Weitere Größen sind MOT/COT (maximale und kontinuierliche Temperatur), der Temperaturindex sowie CTExy und CTEz, die den Stress auf die Lötstelle und die Hülse beschreiben. Zu berücksichtigen ist auch t = 288 °C, die Zeit bis zur Delamination im Lötbad.

Einsatz von Lüftern

Zwar ist in einigen Industriezweigen der Einsatz von Lüftern nicht gewünscht, so geht es oftmals doch nicht ohne. Wann der Einsatz eines Lüfters, und welche Art von Lüfter sinnvoll ist, zeigte der Beitrag von ebm-Papst. Erste Überlegungen dazu beginnen mit einer Abschätzung unter Zuhilfenahme des Cordier-Diagramms.

Bei der Auswahl dieser Zwangskonvektion ist es wichtig, ob das System bereits definiert ist oder (besser) sich erst in der Designphase befindet. Ist es bereits definiert, muss der passende Lüfter anhand folgender Parameter ausgewählt werden:

  • Luftleistung (Kühlluftmenge)
  • Geräusch
  • Größe

Nachdem die erforderliche Kühlluftmenge (den Volumenstrom V) nach dem ersten Hauptsatz ermittelt wurde, müssen Anlagenwiderstand und Betriebskennlinie, bestimmt werden. Sinnvoll ist hier die Simulation oder eine Widerstandsmessung in einer vergleichbaren Anlage. Je nach Lüftertyp, axial oder radial, ergibt sich aus dem Schnittpunkt von Lüfter- und Betriebskennlinie, der am besten geeignete Lüftertyp (Bild 4). Zu achten ist auch auf ein gutes Geräuschverhalten im Betriebsbereich. Dieses wird bestimmt durch Schalldruckpegel (Bild 5), Schallleistungspegel und Drehton. Bei verschiedenen Betriebspunkten werden Drehzahl und Volumenstrom analysiert.

Befindet man sich noch in der Designphase, muss das Layout nach wärmetechnischen Aspekten optimiert werden. Diese sind:

  • Luftführung/-Verteilung
  • Geräusch
  • Lüfteranordnung

Je nach Betriebspunkt im/am Lüfter entstehen Verluste zum Beispiel durch Wandreibung, Spaltwirbel sowie Stoß- und Abströmverluste (Durchmischung im Nachlauf des Lüfters), um nur einige zu nennen.

Aus der Einbausituation ergibt sich, wie die Luft zum Rotor strömt und wieder abströmt. Generell gilt, dass ein blasender Betrieb wegen der punktuellen Kühlung vorteilhaft ist. Hingegen liefert der saugende Betrieb eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung über den Querschnitt. Befindet sich ein Lüfter am idealen Einbauort arbeitet er mit ungestörter Zu- und Abströmung. Unmittelbar in der Nähe angebrachte Einbauten verändern die Kennlinie und verschlechtern den Wirkungsgrad. Empfehlenswert ist deshalb ein großer Abstand zu benachbarten Bauteilen, die Vermeidung scharfer Kanten sowie Strömungskurzschlüsse und Leckagen. Wegen der Geräuschentwicklung sollte es zudem vermieden werden, dass die Eigenfrequenz des Gehäuses mit der Lüfterdrehfrequenz übereinstimmt.

Insbesondere bei Geräten, die in einer Heim- oder Büroumgebung arbeiten (Bild 6), ist die Geräuschentwicklung ein sehr wichtiges Kriterium. AC-Lüfter kommen hier nicht zum Einsatz – diese werden in der Industrie verwenden, wo Geräusche keine große Rolle spielen. DC-Lüfter, die zur Verhinderung der Körperschallausbreitung entkoppelt vom Gehäuse eingebaut werden müssen, sind hier die richtige Wahl. Die an das System angepasste Entkopplung lässt sich durch Dämpfung (mit entsprechendem Material und geringen Kontaktflächen) und Dämmung erreichen. Außerdem sollte die Lüfterressonanz nicht im Betriebsbereich liegen.

Für das Virtual Prototyping der Elektronikkühlung bedarf es einer Software, die die Luftbewegung, inklusive der Konvektion sowie die Wärmeleitung in den Bauteilen, in der Leiterplatte und an den Gehäusewänden und die IR-Abstrahlung zuverlässig berechnet.

Virtual Prototyping der Elektronikkühlung

6SigmaET, vorgestellt von Alpha-Numerics, ist beispielsweise eine Software, mit der ein Wärmekonzept mit geringem Aufwand und trotzdem so genau wie nötig im Voraus berechnet werden kann (Bilder 7 und 8). Die auf ± 5 bis 10 Prozent genaue Software verwendet robuste und stabile Algorithmen, die mit möglichst wenig Speicher- und Rechenzeitbedarf auskommen. Bei der angewendeten numerischen Strömungsmechanik (englisch:computational fluid dynamics, CFD) handelt es sich um eine etablierte Methode der Strömungsmechanik. Durch die gelieferten objektorientierten Modellierungsmöglichkeiten kann der Benutzer sofort mit Konzeptstudien beginnen. Mit einem Modell, das die erforderlichen Wärmequellen und Luftführungen beinhaltet, lässt sich eine qualitative und quantitative Temperaturvorhersage durchführen. Die mitgelieferten Konstruktionsmöglichkeiten reichen aus, um Gehäuse, Boards, Bauteile, Lüfter, Lochbleche und Kühlkörper zusammen mit ihren physikalischen Eigenschaften zu erzeugen. Mechanische CAD-Komponenten können eins zu eins in das Rechenmodell importiert werden. Via IDF erfolgt der Import von Board-Daten aus einem E-CAD-System.

Dr. Adam von Adam Research demonstrierte, dass mit seiner Software „TRM“ komplexe Leiterplattenlayouts in Bezug auf I und T simuliert werden können. Er bestätigte, dass Simulation und Messung ± 10 Prozent übereinstimmen können. Eine Simulation eignet sich zudem auch für Technologieuntersuchungen (an Standard-PCBs, Dickkupfer, Stromschienen, Drahtschreibung und weitere) bei freier Substratwahl (Standard FR4, Hoch-λ, Keramik, IMS). Weiterhin besteht die Möglichkeit von Sensitivitätsstudien unter Berücksichtigung der Toleranzen der Board-, Umgebungs- und Layoutparameter.Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt darin, dass Optimierungsversuche ohne Musterbau durchführbar sind. Layoutvergleiche zur Kostenreduzierung (zum Beispiel bei Anzahl thermischer Vias) sind ebenfalls möglich. Die Software ist so konzipiert, dass virtuelle Thermogramme auch von Layoutern, Entwicklern oder Beratern berechnet werden können und in wenigen Minuten abgeschlossen sind.

Für Simulationsprogramme genügen inzwischen CPUs mit vier Cores und einem Speicher von 8 GB RAM. Empfohlen wird eine Grafikkarte mit Open GL und mindestens 512 MB Speicher (besser 1 GB). Für etwa 3,15 Millionen Zellen wird ein Speicher von 1 GB benötigt sowie eine große Festplatte, da die Ergebnisse pro Version 100 MB bis 800 MB erfordern. Die Rechenzeit ist gitterabhängig und auch anhängig von der Komplexität der physikalischen Aufgabe. Möglich ist eine Dauer von 15 Minuten, typisch sind eher fünf bis acht Stunden. Bei Großprojekten sind auch mal 20 bis 30 Stunden nicht ungewöhnlich.

Zusätzliche Themenbereiche

Das OTTI-Fachforum Wärmemanagement in elektronischen Systemen ist auch auf folgende Themenbereiche eingegangen, die aus Platzgründen hier nicht abgehandelt werden können:

  • Hochtemperaturelektronik im Kfz (Continental, Regensburg)
  • Thermisches Management von LEDs (OUTe.V., Berlin)
  • Infrarotthermografie (Optris, Berlin)
  • Kühlkörper und Heatpipes (ELiNTER AG, Cham Schweiz)
  • Interfacematerial (Hala, Ottobrunn)
  • Wärmeleitfähige Kunststoffe (LKT, Uni Erlangen)
  • Wärmetauscherkonzepte (DMT AG, Nufringen)
  • Leistungssteckverbinder (Intercontec, Niederwinkling)

Über die im Kontaktkasten angegebenen Links kommen Sie auf die Webseiten der genannten Firmen und zu weiteren Informationen zum jeweiligen Thema. Außerdem kann auf Anfrage bei OTTI der Tagungsband gegen eine Schutzgebühr bezogen werden.