So lösen druckbare Heatsinks thermische Probleme auf Leiterplatten

Entscheidend hierbei ist zum einen die schnelle Ableitung der Wärme weg vom Entstehungsort, dem Leistungsbauteil. Zum anderen ist es die Abführung der Wärme weg von der gesamten Baugruppe.  Es werden verschiedene Lösungen aktiver (z.B. Heat Pipes, Lüfter) und passiver Kühlungen (z. B. Kupfer-Inlays) angewendet. Sollten diese bauteilseitig nicht umsetzbar oder zusätzliche wärmeleitende Pfade notwendig sein, bieten sich polymerbasierte wärmeleitende Medien an. Diese werden zusammengefasst als Thermal Interface Materials bezeichnet.

Das Vermögen zur Wärmeleitung – die Wärmeleitfähigkeit – ist eine spezifische Stoffeigenschaft. Die beste Wärmeleitfähigkeit besitzen Metalle, gefolgt von anorganischen Feststoffen.

Allerdings ist es neben dem Wärmefluss oft erforderlich, gleichzeitig eine elektrische Isolation zu gewährleisten, wodurch auf Metallen basierende, hochleistungsfähige wärmeleitende Materialien im Einsatz stark eingeschränkt sind. Um trotzdem hohe Wärmeleitfähigkeiten erzielen zu können, sind Materialien mit einem hohen Gehalt an wärmeleitfähigen Keramiken notwendig.

Häufig sind die Wärmequelle und die zur Verfügung stehende Fläche zur Wärmeabgabe, das Heatsink, auf verschieden Seiten der Leiterplatte angeordnet. Zum besseren Durchleiten der Wärme durch das - vergleichsweise gering wärmeleitfähige – Basismaterial werden z.B. sogenannte Wärmekoppler integriert.

Bei der Konstruktion der Wärmekoppler sind die metallischen Durchkontaktierungen – Heat Vias – bestimmend für den thermischen Widerstand. Eine höhere Anzahl von Durchkontaktierungen verringert den thermischen Widerstand wie zunehmende Dicke der Metallhülse. Die klassische Anbindung von metallischen Heatsinks an den Wärmekoppler erfolgt beispielsweise über eine Klebung.

Die Wärmeübergangswiderstände zwischen den einzelnen Schichten reduzieren jedoch die Wärmeleitung. Zudem stellen zu verklebende Heatsinks ein sehr arbeits- und kostenintensives Verfahren dar. Die Metallfolien müssen zunächst in entsprechenden Formen gestanzt werden, was den Betrieb von Stanzwerkzeugen erfordert. Im Anschluss muss eine doppelseitige Klebefolie aufgebracht und der Heatsink auf die Leiterplatte positioniert werden. Zur elektrischen Isolierung und zum Korrosionsschutz muss die Metallfolie noch mit entsprechenden Lacksystemen beschichtet werden. Diese Heatsinks sind üblicherweise mehrere 100 µm hoch. Eine ausreichende Kanten- bzw. Flankenabdeckung ist nicht immer prozesssicher zu realisieren. Die genannten Arbeitsschritte lassen sich in der Regel nicht automatisieren und müssen daher von Hand durchgeführt werden. Sie stellen einen erheblichen Zeit- und Personalaufwand dar.

Gedruckte Wärmeleitpasten, die als Heatsink die Wärme in der Fläche verteilen, oder als Thermal Interface einen guten Wärmeübergang zu Metallheatsinks herstellen, werden beim Leiterplattenhersteller im gewünschten Layout auf die Leiterplattenoberfläche gedruckt.

Beim gedruckten Heatsink fallen sowohl die Wärmeübergangswiderstände zwischen Heatsink und der Klebefolie, zwischen Klebefolie und Leiterplatte sowie zwischen Klebefolie und Hülse als auch die Klebefolie selbst weg.

Durch den Druckvorgang verfüllen sich die Durchkontaktierungen des Wärmekopplers – die Heat Vias – und die Anzahl der Wärmeübergangswiderstände reduziert sich. Das verdruckte Heatsink ist optimal an den Wärmekoppler angebunden. Ein großer Vorteil bei der Wärmeableitung liegt darin, dass das gedruckte Heatsink die Wärmeleitbohrungen zum Teil ausfüllt. Hierdurch vergrößert sich die Kontaktfläche. Diese Vergrößerung begünstigt den Wärmetransport erheblich, da der Wärmeübergangswiderstand mit zunehmender Kontaktfläche abnimmt. Die laterale Wärmespreitung im gedruckten Heatsink ist – gegeben durch den nichtmetallischen Charakter – geringer als die in Metallfolien. Ein einfacher Austausch von Metallfolie gegen den gedruckten Heatsink ist ohne thermische Analyse daher nicht möglich.

Fazit

Der hauptsächliche Einsatzbereich des druckbaren Heatsink ist dort zu sehen, wo eine Wärmeabführung über Wärmekoppler zur Rückseite der Leiterplatte möglich ist und Wärmeströme in der Größenordnung von 2 W/m K auftreten. Das druckbare Heatsink bietet sich insbesondere als Lösung für thermische Probleme an, für die die Verwendung von Metallfolien zu kostenintensiv oder aus Gründen der Layout-Gestaltung eine Metallfolie nicht einsetzbar ist.

Das druckbare Heatsink lässt sich mit Erfolg auch dort einsetzen, wo im Layout Kupferflächen als Wärmesenken eingebracht sind. In diesen Fällen ist eine Flächenreduzierung des Kupfers um über 50 % möglich, indem diese Flächen mit einem gedruckten Heatsink überdeckt werden. Auf eine Isolierbeschichtung könnte hier wegen des isolierenden Charakters des Heatsink verzichtet werden.

Der Einsatz von druckbaren Heatsinks ist nicht nur für die leiterplattenproduzierende Seite vorteilhaft, sondern auch für den Anwender der Leiterplatte. Das verdruckte Heatsink zeichnet sich durch eine erhöhte Funktionssicherheit aus, da es selbst keine elektrische Leitfähigkeit besitzt. Fehlfunktionen durch eine mögliche Kurzschlussbildung sind ausgeschlossen. Neben seiner ausgezeichneten Haftfestigkeit zeichnet es noch eine Gewichtsersparnis von etwa 50 % gegenüber einem klassischen Metallkörper aus. Durch das vereinfachte Druckverfahren sind ferner ganz andere Formgestaltungen des Heatsink möglich. Ebenso ist ein schneller Formenwechsel für das Heatsink gegeben.