Auf einen Blick

Es muss nicht immer ein Lüfter sein: Clevere passive Kühlung verteilt die Abwärme von Hochleistungs-ICs so im System, dass sie gut abgeführt werden kann. Dazu dienen Kupferschichten in der Platine, thermisch sinnvolle Platzierung der Bauteile und viele weitere Daumenregeln, die dieser Beitrag von Texas Instruments zusammenfasst.

Halbleiterhersteller haben kaum Einfluss darauf, in welchem System ihre Bauteile zum Einsatz kommen. Die Systemumgebung ist jedoch entscheidend für die Gesamtleistung. Bei ASICs arbeitet der Entwickler eng mit dem Hersteller zusammen, dazu gehören dann auch die thermischen Anforderungen. Diese frühzeitige Interaktion stellt sicher, dass der IC alle Kriterien erfüllt und gut im thermischen System des Kunden funktioniert. Bei Katalogware läuft der Verkauf in der Regel ohne Kontakt zwischen Hersteller und Ingenieur. Hierfür gibt es einige allgemeine Richtlinien, die bei einer guten passiven thermischen Lösung helfen.

Ein Pad als Wärmeleiter

Sehr häufig sind Halbleitergehäuse im Exposed-Pad- oder Power-Pad-Stil aufgebaut (Bild 1). Hier ist der Chip auf eine Metallplatte, das so genannte Chip-Pad, montiert. Dieses Pad stützt den Chip während der Herstellung und dient als thermischer Pfad für die Wärmeableitung. Wenn das Exposed-Pad des Gehäuses auf die Leiterplatte gelötet wird, kann die Abwärme rasch in die Leiterplatte wandern. Anschließend wird die Wärme durch die Leiterplattenschichten und in die Umgebungsluft abgeleitet.

Bild 1: Beim Power-Pad-Design sitzt der Halbleiter auf einem Metall-Pad, das den Chip stützt und seine Abwärme zur Platine wegführt.

Bild 1: Beim Power-Pad-Design sitzt der Halbleiter auf einem Metall-Pad, das den Chip stützt und seine Abwärme zur Platine wegführt.Texas Instruments

Gehäuse im Exposed-Pad-Aufbau führen üblicherweise 80 Prozent der Wärme durch die Unterseite in die Leiterplatte ab. Die restlichen 20 Prozent verteilen sich auf die Geräteleitungen und Gehäuseseiten. Weniger als ein Prozent wird über die Oberseite des Gehäuses abgeleitet. Bei diesen Exposed-Pad-Gehäusen ist eine gute thermische Auslegung der Leiterplatte entscheidend, um eine ordnungsgemäße Leistungsfähigkeit des Geräts zu gewährleisten.

Sinnvolle Anordnung

Der Entwickler kann die thermische Leistung verbessern, indem er die Aufteilung der Baugruppen auf der Platine optimiert. Nach Möglichkeit sollten die Hochleistungskomponenten auf der Leiterplatte stets räumlich voneinander getrennt liegen. Durch diese physische Verteilung kann jeweils ein möglichst großer Bereich der Leiterplattenfläche die Wärme einzelner Bauteile aufnehmen. Außerdem ist darauf zu achten, temperaturempfindliche Bauteile weit entfernt von Hochleistungskomponenten zu platzieren.

Bild 2: Auswirkung der Komponentenplatzierung auf die thermische Leistungsfähigkeit. Die Komponente an der Leiterplattenecke (oben) weist höhere Chiptemperatur auf als mittig positionierte Komponenten.

Bild 2: Auswirkung der Komponentenplatzierung auf die thermische Leistungsfähigkeit. Die Komponente an der Leiterplattenecke (oben) weist höhere Chiptemperatur auf als mittig positionierte Komponenten.Texas Instruments

Hochleistungskomponenten sollten sich möglichst nicht an den Ecken der Leiterplatte befinden. Durch eine mittigere Position kann eine größere Platinenfläche die Wärme abführen. Bild 2 zeigt zwei identische Bauelemente A und B. Komponente A, die sich an der Ecke der Leiterplatte befindet, weist eine um fünf Prozent höhere Chip-Junction-Temperatur auf als die mittiger gelegene Komponente B.

Kühlendes Kupfer

Thermisch am kritischsten ist der Aufbau einer Platine. Eine allgemeine Faustregel lautet: Je mehr Kupfer die Leiterplatte enthält, desto besser. Thermisch ideal für Halbleiterbauelemente wäre die Montage auf einem großen Block aus flüssigkeitsgekühltem Kupfer. Da diese Montageoption für die meisten Anwendungen nicht praktikabel ist, sind andere Ansätze gefragt.

Bei den meisten Anwendungen wird die Gesamtgröße des Systems immer kleiner, was sich negativ auf die thermische Leistung auswirkt. Größere Leiterplatten bieten mehr Fläche zur Wärmeübertragung sowie mehr Platz, um einen angemessenen Abstand zwischen Hochleistungskomponenten zu erreichen.

Wann immer möglich, sollte man Anzahl und Stärke der Kupfergrundschichten maximieren. Grundschichten weisen üblicherweise eine hohe Kupfermasse auf und stellen hervorragende thermische Pfade dar, um Wärme über die gesamte Fläche der Leiterplatte zu verteilen. Verdrahtungsebenen erhöhen ebenfalls den Gesamtprozentsatz an Kupfer, der für die Wärmeübertragung zur Verfügung steht. Die Verdrahtung ist jedoch häufig elektrisch – und thermisch – isoliert, was ihre thermische Ableitungsfähigkeit begrenzt.

Die Verdrahtung der Gerätemasse mit so vielen Grundschichten wie elektrisch möglich, trägt ebenfalls zur Maximierung der Wärmeübertragung bei. Thermische Durchgänge, die sich unter dem Halbleiterbauelement in der Leiterplatte befinden, erleichtern die Wärmeabfuhr in die Einbettungsschichten der Leiterplatte sowie zu ihrer Rückseite.

Wärmeverteilungsplatte

Die oberste und unterste Schicht der Leiterplatte sind die wichtigsten Ansatzpunkte, um die der thermischen Leistung zu verbessern. Breite Leiterbahnen, die von Hochleistungskomponenten wegführen, schaffen ebenfalls einen thermischen Pfad für die Wärmeableitung.

Bild 3: Beispiel eines Landeflächenmusters in Doppel-T-Form für ein Dual-Inline-Gehäuse.

Bild 3: Beispiel eines Landeflächenmusters in Doppel-T-Form für ein Dual-Inline-Gehäuse.Texas Instruments

Eine Wärmeverteilungsplatte ist eine hervorragende Möglichkeit, um Wärme in einer Leiterplatte abzuführen. Diese Platte befindet sich üblicherweise auf der Ober- oder Rückseite einer Platine und ist über eine direkte Kupferverbindung oder thermische Durchgänge mit der Komponente verbunden. Bei Inline-Gehäusen (Gehäusen mit Leitungen nur auf zwei Seiten) kann sich die Wärmeverteilungsplatte oben auf der Leiterplatte befinden und eine Doppel-T-Form aufweisen (Bild 3): Dieses Profil ist in der Mitte so schmal wie das Gehäuse, mit einer größeren angeschlossenen Kupferfläche, die vom Gehäuse wegführt. Bei einem Quad-Gehäuse (Leitungen auf vier Seiten) muss sich die Verteilungsplatte entweder auf der Rückseite befinden oder in die Leiterplatte eingebettet sein.

Je größer die Verteilungsplatte, desto besser ist die thermische Leistung eines Gehäuses im Power-Pad-Stil. Die Variation der Verteilungsplattengröße kann erhebliche Auswirkungen auf die thermische Leistung haben und ist häufig in Tabellenform in Produktdatenblättern angegeben. Es kann jedoch schwierig sein, die Auswirkungen von zusätzlichem Kupfer auf eine benutzerdefinierte Leiterplatte zu quantifizieren. Es gibt einige webbasierte Rechner, mit denen der Benutzer eine Komponente auswählen und die Größe des Kupfer-Lande-Pads variieren kann, um die Auswirkungen auf die thermische Leistung für Leiterplatten abzuschätzen, die nicht Jedec-konform sind. Solche Tools verdeutlichen die Auswirkungen des Leiterplatten-Designs auf die thermische Leistungsfähigkeit.

Bei Quad-Gehäusen ist das Lande-Pad auf der Oberseite häufig auf den Bereich unterhalb des Exposed-Pads der Komponente beschränkt. In diesem Fall sind eingebettete Schichten oder Schichten auf der Rückseite die bevorzugte Methode, um zusätzliche Kühlung zu bewirken. Für Dual-Inline-Komponenten können Landeflächenmuster in Doppel-T-Form zur Wärmeableitung verwendet werden.

Einfluss der Montage

Auch ein größeres Leiterplattengehäusesystem kann zur Kühlung dienen. Die zur Montage der Leiterplatte verwendeten Schrauben können ebenfalls als Wärmeleitweg zum Systemgehäuse dienen, wenn sie thermisch mit den Verteilungs- und Grundplatten verbunden sind. Mehr Schrauben führen mehr Wärme ab, erhöhen aber auch die Kosten – hier gilt es, ein Optimum zu finden.

Versteifungsplatten für Leiterplatten können eine zusätzliche Kühlfläche bieten, wenn sie mit der Wärmeverteilungsplatte verbunden sind. Wenn die Leiterplatte in einem geschlossenen Gehäuse steckt, bietet Füllmaterial für Hohlräume eine bessere thermische Leistung als ein luftgefülltes Gehäuse. Kühllösungen wie Lüfter und Kühlkörper sind ebenfalls übliche Methoden zur Kühlung von Systemen, benötigen jedoch häufig zusätzlichen Platz oder es sind Abänderungen am Design erforderlich.

Das Komplettsystem betrachten

Die Auswahl eines Chips und eines guten IC-Gehäuses ist nur ein kleiner Teil eines durchdachten thermischen Systems. Die thermische Leistungsfähigkeit des Bauteils hängt in großem Maße von der Leiterplatte ab sowie von der Fähigkeit des umgebenden thermischen Systems, Wärme rasch abzuleiten. Die Implementierung einiger der oben erwähnten passiven Kühlmethoden kann die thermische Leistung eines Systems erheblich verbessern.