Effiziente Wärmeableitung von PCB-Power-Modulen

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1 Effiziente Wärmeableitung von PCB-Power-Modulen Entwickler von Stromversorgungsmodulen sind stets auf der Suche nach mehr Leistungsdichte auf kleinerem Raum. Dies trifft vor allem auf Server in Datencentern und LTE-Basisstationen zu, die hohe Lastströme für immer leistungsfähigere FPGAs, ASICs und Mikroprozessoren bereitstellen müssen. Um höhere Ausgangsströme zu erzielen, kommen immer häufiger Mehrphasensysteme zum Einsatz, und um mehr Strom auf kleinerer Fläche bereitzustellen, entscheiden sich immer mehr Entwickler für Power-Module anstatt für diskrete Lösungen. Module bieten eine bessere Alternative als komplexe Stromversorgungsdesigns mit ihren Problemen beim Leiterplatten-(PCB-)Layout mit DC/DC-Wandlern. Der folgende Beitrag beschreibt ein Leiterplatten-Layout mit mehreren Schichten, das Vias verwendet, um die Thermal Performance eines 2-Phasen-Power-Moduls zu verbessern. Das Modul bietet zwei Einphasenausgänge mit je 20 A oder einen 2-Phasen-40A-Einzelausgang. Anhand eines Beispiel- Boarddesigns mit Vias wird die höhere Leistungsdichte und die Wärmeableitung vom Modul verdeutlicht. Damit ist ein Betrieb ohne Kühlkörper oder Lüfter möglich. Bild 1: Der ISL8240M bietet zwei Ausgänge, die jeweils 20 A bereitstellen Wie kann dieses Modul eine so hohe Leistungsdichte erzielen? Das in Bild 1 dargestellte Modul bietet einen sehr niedrigen thermischen Widerstand θja von nur 8,5 C/W, da es auf einem Kupfersubstrat basiert. Um die Wärme vom Modul abzuleiten, ist es direkt auf einer Leiterplatte mit hoher Wärmeleitfähigkeit befestigt. Das Multilayer-Board besteht aus einer oberen Leiterplattenschicht, auf die das Modul montiert ist. Zwei darunterliegende Kupferschichten sind über Vias direkt mit der oberen Schicht verbunden. Dieser Aufbau sorgt für eine hohe Wärmeleitung (niedriger Wärmewiderstand), womit die Wärme direkt vom Modul abgeleitet werden kann. 1 Intersil

2 Für ein besseres Verständnis dient das ISL8240MEVAL4Z Evaluierungsboard (Bild 2): Diese Leiterplatte mit vier Schichten unterstützt das Abwärtswandlermodul im Dual-Ausgangsmodus mit je 20 A an jedem Ausgang. Bild 2: Das Power-Modul-Evaluierungsboard ISL8240MEVAL4Z Das Board besteht aus vier PCB-Schichten mit einer Dicke von 1,57 mm (0,062 in) (±10%) und weist die in Bild 3 dargestellt Anordnung auf. 2 Intersil

3 Bild 3: Anordnung der vier PCB-Schichten mit 1,57 mm für das Power-Modul ISL8240M Das Board besteht hauptsächlich aus FR4-Material und Kupfer mit kleinen Mengen Lot, Nickel und Gold. Tabelle 1 listet die Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien auf. Tabelle 1: Wärmeleitfähigkeit der verwendeten PCB-Materialien Komponente К (W/in-C) К (W/m-K) Luft 0,0007 0,0275 Kupfer FR4 0,0064 0,25 Lötmaske 0,0054 0,21 SAC305* 1, Intersil

4 SAC305* ist ein gängiges bleifreies Lot, das aus 96,5% Zinn, 3% Silber und 0,5% Kupfer besteht. W = watts; in = Zoll, C = Grad Celsius, m = Meter, K = Grad Kelvin Um den Wärmewiderstand des Materials zu berechnen, nutzen wir Gleichung (1). Um den Wärmewiderstand der oberen PCB-Kupferschicht in Bild 3 zu bestimmen, wird die Dicke der Kupferschicht (t) durch den Wärmeleitfähigkeitsfaktor dividiert und mit dem Querschnitt multipliziert. Der Einfachheit halber wurde 1 in² (645 mm²) mit den Abmessungen A=B = 1 in (25,4 mm) als Querschnittsfläche gewählt. Die Dicke der Kupferschicht beträgt 2,8 mil oder 0,0028 in (0,0711 mm). Dies entspricht der Dicke von 2 Unzen (56,7 g) Kupfer, die auf 1 ft² (929 cm²) Leiterplattenfläche aufgebracht werden. Der Faktor K ist der W/(in-C)-Faktor für Kupfer, der 9 beträgt. Der Wärmewiderstand dieser 1in²-Fläche von 2,8 mil Kupfer beträgt demnach 0,0028/9 = 0,0003 C/W. Die Abmessungen in Bild 3 können für jede Schicht verwendet werden, und zusammen mit dem entsprechenden K-Faktor aus Tabelle 1 lässt sich der Wärmewiderstand jeder Schicht der 1in²-PCB-Fläche berechnen. Die Ergebnisse sind in Bild 4 dargestellt. Bild 4: Wärmewiderstand der jeweils 1 in² großen PCB-Schichten Aus diesen Zahlen ergibt sich, dass die 33,4mil-Schicht (t5) die höchste Wärmeimpedanz aufweist. Alle Zahlen in Bild 4 beschreiben die gesamte Wärmimpedanz auf 1 in² dieser vierlagigen Leiterplatte von der 4 Intersil

5 oberen bis zu unteren Schicht. Was passiert, wenn wir eine durchgehende Via-Verbindung durch die gesamte Leiterplatte anlegen? Das Board verwendet Vias mit einer Lochgröße von etwa 12 mils (0,012 in = 0,3 mm). Um einen Durchgang zu erstellen wird ein Loch mit 0,014 in (0,36 mm) Durchmesser gebohrt und dann beschichtet. Die Beschichtung fügt eine Kupferschicht von etwa 1 mil (0,001 in = 0,025 mm) Dicke auf der Innenseite des Bohrlochs hinzu. Dieses besondere Board wird zudem noch in einem ENIG-Prozess plattiert, was zusätzlich etwa 200 µin (5,08 µm) Nickel und 5 µin (0,127 µm) Gold auf die äußeren Kupferoberflächen mit aufträgt. Wir ignorieren diese Schichten und verwenden für unsere Berechnungen nur die Kupferschicht, um den Wärmewiderstand des Vias zu ermitteln. Die Formel für ein Zylinderrohr ist in Gleichung (2) beschrieben. Die Variable l ist die Länge des Zylinders, K der Wärmeleitfaktor, r1 der Außenradius und r0 der Innenradius. Wendet man die Gleichung auf das 12 mil (Durchmesser) Loch an, ergeben sich für r0 = 6 mils (0,006 in = 0,152 mm) und für r1 = 7 mils (0,007 in = 0,178 mm) bei K =9 für Kupferbeschichtung. Bild 5: Oberflächenabmessungen eines 12 mil Via Die Variable l ist die Via-Länge von der oberen bis zur unteren Kupferschicht. Es liegt keine Lötmaske vor, mit der das Modul auf das Board gelötet wird. Für andere Bereiche kann der Leiterplatten-Entwickler jedoch verlangen, dass die Lötmaske auf jedem Via aufgebracht wird oder die Fläche über dem Via bleibt leer. Da der Durchgang nur die äußeren Kupferschichten miteinander verbindet, beträgt dessen Länge 63,4 mils (0,0634 in = 1,61 mm). Der Wärmewiderstand für die gesamte Via-Länge beträgt dann 167 C/W (Gleichung 3). In Bild 6 ist der Wärmewiderstand für jedes einzelne Via-Segment dargestellt, das die verschiedenen Schichten der Leiterplatte verbindet. 5 Intersil

6 Bild 6: Wärmewiderstand der einzelnen Via-Segmente, die jede Schicht miteinander verbinden Zu beachten ist, dass diese Werte nur der Wärmewiderstand eines einzigen Vias sind ohne Berücksichtigung, dass jedes Segment durch das Board auch seitlich mit den Materialien verbunden ist. Betrachtet man die Wärmewiderstandswerte der Leiterplattenschichten in Bild 4 und vergleicht sie mit den Wärmewiderstandswerten für ein Via, scheint das Via eine wesentlich höhere Wärmeimpedanz für jede Schicht zu haben. Ein Via nimmt aber weniger als 1/5000 in² (0,129 mm²) der Leiterplattenfläche ein. Vergleicht man eine kleinere Leiterplattenfläche, z.b. 0,25 in x 0,25 in (6,35 mm x 6,35 mm), was 1/16 der vorherigen Fläche entspricht, ergeben sich für Bild 4 die 16-fachen Wärmewiderstandswerte. So würde sich die Wärmeimpedanz von t4 und der 33,4 mil dicken FR4-Schicht von 5,21875 auf 83,5 C/W erhöhen. Fügt man nur ein Via zu dieser 0,25 in x 0,25 in Fläche hinzu, verringert sich der Wert fast auf die Hälfte (83,5 C/W parallel zu 90,91 C/W). Die 0,25 in x 0,25 in Fläche ist etwa 400-mal größer als die Fläche eines Vias. Was geschieht bei der Platzierung von 16 Vias auf diesem Raum? Der effektive Wärmewiderstand aller parallelen Vias wird verglichen zu einem einzigen Via um das 16-fache verringert. Bild 7 vergleicht die Wärmewiderstände der Leiterplattenschichten für die 0,25 in x 0,25 in Fläche ohne Via mit der gleichen Fläche mit 16 Vias. Die 33,4 mil dicke FR4-Schicht dieser Fläche weist eine Wärmeimpedanz von 83,5 C/W auf. Die 16 parallelen Vias weisen eine entsprechende Wärmeimpedanz von 5,6821 C/W auf. 6 Intersil

7 Die 16 Vias nehmen weniger als 1/25 der 0,25 in x 0,25 in Fläche ein, verringern aber die Wärmeimpedanz- Verbindungen von der Oberfläche zu den unteren Schichten erheblich. Bild 7: Vergleich der Wärmewiderstandswerte Fließt die Wärme durch ein Via hinab in die nächste Schicht vor allem in eine andere Kupferschicht bewegt sie sich seitlich vom Via weg in die Materialschicht. Das Hinzufügen von immer mehr Vias wirkt sich daher nachteilig aus, da die Wärme seitlich aus einem Via in das benachbarte Material austritt und möglicherweise auf Wärme aus einer anderen Richtung trifft, die von einem anderen Via stammt. Das ISL8240MEVAL4Z Board misst 3 in x 4 in (76 mm x 101 mm). Insgesamt 2 Unzen Kupfer sind auf den oberen und unteren Leiterplattenschichten aufgebracht, und nochmals 2 Unzen Kupfer auf den beiden inneren Schichten. Damit das ganze Kupfer sinnvoll genutzt wird, weist das Board mil-Vias auf, die die Wärme vom Modul in die darunterliegenden Kupferschichten abführen. 7 Intersil

8 Fazit Um die Zunahme der Spannungsschienen für die immer hochleistungsfähigeren Mikroprozessoren und FPGAs abzudecken, sind fortschrittliche Power-Management-Lösungen wie der das ISL8240M Power-Modul erforderlich. Sie bieten einen höhere Leistungsdichte, weniger Verlustleistung und einen höheren Wirkungsgrad. Die optimale Integration von Vias in das Leiterplattendesign des Power-Moduls wird immer wichtiger, um ein hohe Leistungsdichte zu erzielen. Referenzen ISL8240M Power-Modul ISL8240MEVAL4Z Evaluierungsboard Gleichungen Gleichung (1): Berechnung des Wärmewiderstands der verschiedenen Materialien Gleichung (2): Berechnung des Zylinderrohrs Gleichung (3): Berechnung des Wärmewiderstands für ein Via (12 mil) # # # Über Intersil Intersil Corporation ist ein führender Anbieter hochleistungsfähiger Analog-, Mixed-Signal- und Power-Management-ICs für die Bereiche Industrie, Infrastruktur, Computing und Highend-Consumerelektronik. Weitere Informationen über Intersil unter: Intersil Americas LLC. Alle Rechte vorbehalten. Intersil (und das Logo) sind Marken der Intersil Corporation oder einer der Tochtergesellschaften. Alle anderen hier erwähnten Marken sind im Besitz der jeweiligen Eigentümer. 8 Intersil

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