Die gesamte Leistungselektronikbranche, einschließlich HF-Anwendungen und -Systeme mit Hochgeschwindigkeitssignalen, bewegt sich in Richtung Lösungen, die immer komplexere Funktionen auf immer kleinerem Raum bieten. Designer stehen vor immer anspruchsvolleren Herausforderungen bei der Erfüllung der Anforderungen an Systemgröße, Gewicht und Leistung, einschließlich eines effektiven Wärmemanagements, das wiederum mit dem Design der Leiterplatte beginnt.
Hochintegrierte aktive Leistungsbauelemente (z. B. MOSFET-Transistoren) emittieren große Mengen an Wärme und erfordern PCBs, die Wärme von den heißesten Komponenten auf den Boden oder die Kühlkörperoberfläche übertragen können, um so effizient wie möglich zu arbeiten. Thermische Belastung ist eine der Hauptursachen für den Ausfall von Leistungsgeräten, da sie zu Leistungseinbußen und sogar zu Systemausfällen oder Fehlfunktionen führen kann. Das schnelle Wachstum der Geräteleistungsdichte und die zunehmende Frequenz sind die Hauptursachen für die Überhitzung elektronischer Komponenten. Halbleiter mit geringerer Verlustleistung und besserer Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Breitbandmaterialien, werden zwar immer häufiger eingesetzt, reichen jedoch nicht aus, um die Notwendigkeit eines effektiven Wärmemanagements zu beseitigen.
Aktuelle siliziumbasierte Leistungsbauelemente können bei Sperrschichttemperaturen zwischen etwa 125 Grad und 200 Grad erreicht werden. Es ist jedoch wünschenswert, die Vorrichtung immer arbeiten zu lassen, ohne diese Grenzbedingung zu überschreiten, wodurch eine schnelle Alterung der Vorrichtung und eine Verkürzung ihrer verbleibenden Lebensdauer vermieden werden. Tatsächlich wird geschätzt, dass, wenn ein unsachgemäßes Wärmemanagement zu einem Anstieg der Betriebstemperatur um 20 Grad führt, die resultierende Verringerung der verbleibenden Lebensdauer der Komponente bis zu 50 Prozent betragen wird .
Layout Verdrahtung (Layout) Methodik
Eine gängige Wärmemanagementmethode, die in vielen Projekten verwendet wird, ist die Verwendung eines Standardsubstrats der Flammschutzklasse 4 (FR-4), bei dem es sich um ein kostengünstiges und einfach zu verarbeitendes Material handelt, das sich auf die thermische Optimierung des Schaltungslayouts konzentriert.
Die wichtigsten Maßnahmen sind das Anbringen zusätzlicher Kupferflächen, dickere Anordnungen und das Einfügen von Kühlkörpern unter den Komponenten, die die meiste Wärme erzeugen. Eine radikalere Technik, um mehr Wärme abzuleiten, besteht darin, einen echten Kupferblock auf die Leiterplatte oder auf die äußerste Schicht, die normalerweise die Form einer Münze hat, einzusetzen oder aufzubringen, daher der Name "Kupfermünze". Nachdem die Kupfermünze separat verarbeitet wurde, kann sie gelötet oder direkt auf die Leiterplatte aufgebracht werden, oder sie kann in die Innenschicht eingesetzt und über den Kühlkörper mit der Außenschicht verbunden werden. Die in Abbildung 1 gezeigte Leiterplatte wird in einem speziellen Hohlraum hergestellt, um eine Kupfermünze aufzunehmen.
Kupfer hat eine Wärmeleitfähigkeit von 380 W/mK, verglichen mit 225 W/mK für Aluminium und 0,3 W/mK für FR-4. Kupfer ist ein relativ preiswertes Metall, das in der Leiterplattenherstellung weit verbreitet ist; Daher ist es ideal für die Herstellung von Kupfermünzen, Kühlkörperlöchern und Erdungsschichten - alles Lösungen, die die Wärmeableitung verbessern.
Die richtige Platzierung aktiver Bauelemente auf der Platine ist ein Schlüsselfaktor, um die Bildung von Hotspots zu verhindern und so sicherzustellen, dass die Wärme so gleichmäßig wie möglich über die Platine verteilt wird. In diesem Zusammenhang sollten die aktiven Bauelemente in keiner bestimmten Reihenfolge auf der Leiterplatte verteilt werden, um so die Bildung von Hotspots in bestimmten Bereichen zu vermeiden. Vermeiden Sie es jedoch, aktive Geräte, die viel Wärme erzeugen, in der Nähe des Rands der Platine zu platzieren. Stattdessen sollten sie so nah wie möglich an der Mitte der Platine platziert werden, um so eine gleichmäßige Wärmeverteilung zu ermöglichen. Wenn Hochleistungsgeräte in der Nähe der Kante der Platine installiert werden, sammeln sie Wärme an der Kante und erhöhen so die lokale Temperatur. Wenn sie dagegen in der Nähe der Mitte der Platte platziert werden, wird die Wärme in alle Richtungen entlang der Oberfläche verteilt, was es einfacher macht, die Temperatur zu reduzieren und die Wärme besser zu verteilen. Leistungsgeräte sollten nicht in der Nähe von empfindlichen Komponenten platziert werden und sollten einen angemessenen Abstand voneinander haben.
Auf Layoutebene getroffene Maßnahmen können durch den Einsatz aktiver und passiver Kühlsysteme (z. B. Kühlkörper oder Lüfter) weiter verbessert werden – solche Systeme können Wärme von aktiven Geräten abführen, anstatt sie direkt an die Platine abzugeben. Im Allgemeinen müssen Designer den richtigen Kompromiss zwischen verschiedenen Wärmemanagementstrategien finden, abhängig von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung und dem verfügbaren Budget.
Auswahl des PCB-Substrats
FR{{0}} ist aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit (zwischen 0,2 und 0,5 W/mK) typischerweise nicht für Anwendungen geeignet, die die Ableitung großer Wärmemengen erfordern. Die in Hochleistungsschaltkreisen erzeugte Wärme kann beträchtlich sein, und diese Systeme arbeiten oft in rauen Umgebungen und extremen Temperaturen. Die Verwendung eines alternativen Substratmaterials mit höherer Wärmeleitfähigkeit kann eine bessere Wahl sein als die Verwendung von herkömmlichem FR-4.
Keramische Materialien bieten zum Beispiel erhebliche Vorteile für das Wärmemanagement von Hochleistungs-Leiterplatten. Solche Materialien haben zusätzlich zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit auch hervorragende mechanische Eigenschaften und helfen somit, die Spannungen zu kompensieren, die sich während wiederholter thermischer Wechselbeanspruchung angesammelt haben. Darüber hinaus haben Keramikmaterialien einen geringen dielektrischen Verlust bei Frequenzen bis zu 10 GHz. Für höhere Frequenzen ist es immer möglich, Hybridmaterialien (z. B. PTFE) zu wählen, die die gleichen geringen Verluste bieten, jedoch mit einer moderaten Verringerung der Wärmeleitfähigkeit.
Je höher die Wärmeleitfähigkeit des Materials, desto schneller die Wärmeübertragung. Metalle wie Aluminium sind daher nicht nur leichter als Keramik, sondern bieten auch eine hervorragende Lösung für die Wärmeableitung von Komponenten. Insbesondere Aluminium ist auch ein ausgezeichneter Leiter, hat eine ausgezeichnete Haltbarkeit, ist recycelbar und ungiftig. Aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit trägt die Metallschicht dazu bei, Wärme schnell durch die Platine zu übertragen. Einige Hersteller bieten auch metallkaschierte Leiterplatten an, bei denen beide äußeren Schichten metallkaschiert sind, normalerweise Aluminium oder galvanisiertes Kupfer. Aluminium ist aus Kosten-pro-Gewicht-Sicht die beste Wahl, während Kupfer eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Aluminium wird auch häufig zur Herstellung von Leiterplatten verwendet, die Hochleistungs-LEDs unterstützen (wie im Beispiel in Abbildung 2 gezeigt), wobei seine Fähigkeit, Licht vom Substrat weg zu reflektieren, ebenfalls besonders nützlich ist.
Auch Silber kann aufgrund seiner im Vergleich zu Kupfer um etwa 5 Prozent höheren Wärmeleitfähigkeit zur Herstellung von Alignments, Vias, Pads und Metallschichten verwendet werden. Wenn die Platine in einer feuchten Umgebung verwendet wird, in der giftige Gase vorhanden sind, hilft die Verwendung von Silberoberflächen auf blanken Kupferausrichtungen und Kupferlötpads, Korrosion zu verhindern – eine typische Bedrohung, die in solchen Umgebungen bekannt ist.
Metall-Leiterplatten, auch bekannt als isolierte Metallsubstrate (IMS), können direkt in die Leiterplatte laminiert werden, um Platinen mit FR-4-Substraten und Metallkernen zu bilden. Es werden Single- und Double-Layer-Technologien mit tiefengesteuerter Verdrahtung verwendet, wodurch Wärme von Bordkomponenten auf weniger kritische Bereiche übertragen werden kann. Bei IMS-Leiterplatten wird eine dünne Schicht eines wärmeleitenden, aber elektrisch isolierenden Dielektrikums zwischen ein Metallsubstrat und eine Kupferfolie laminiert. Die Kupferfolie wird in das gewünschte Schaltungsmuster geätzt und das Metallsubstrat absorbiert Wärme von der Schaltung durch dieses dünne Dielektrikum.
Die Hauptvorteile von IMS-Leiterplatten sind wie folgt.
- Deutlich höhere Wärmeableitung als Standard-FR-4-Strukturen.
-Die Wärmeleitfähigkeit des Dielektrikums ist typischerweise 5- bis 10-mal höher als die von gewöhnlichem Epoxidglas.
-Die Effizienz der Wärmeübertragung ist viel höher als bei herkömmlichen Leiterplatten.
Neben der LED-Technik (Leuchtschilder, Displays und Beleuchtung) finden IMS-Leiterplatten breite Anwendung in der Automobilindustrie (Scheinwerfer, Motorsteuerung und Servolenkung), Leistungselektronik (DC-Netzteile, Wechselrichter und Motorsteuerung), Schaltern und Halbleiterrelais .