Die Leiterplatte als Element des thermischen Managements

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1 Die Leiterplatte als Element des thermischen Managements Die fortschreitende Miniaturisierung im Bereich der Elektronik führt zu immer weiter steigenden Leistungsdichten sowohl auf der Ebene von Logikbausteinen als auch auf der Ebene der bestückten Leiterplatte. Die Kombination von hohen Umgebungstemperaturen, hohen Verlustleistungen von Bauteilen, sowie gestiegene Anforderungen an die Lebensdauer von elektronischen Baugruppen stellen Elektronikentwickler wie PCB-Designer vor große Herausforderungen. Um das Gesamtsystem zu beherrschen, muss die Bauelementebene verlassen werden und das Gesamtsystem in den Mittelpunkt der Betrachtung rücken. Die Schweizer Electronic AG beschäftigt sich schon seit einigen Jahren intensiv mit diesem Thema. Heute können wir für unsere Kunden auf eine Vielzahl von Lösungen zurückgreifen, die genau zur Problemstellung des Kunden passen. Beim thermischen Design einer Leiterplatte gilt es eine Vielzahl von Faktoren zu berücksichtigen. Sind diese bekannt, kann auf der Grundlage dieser Faktoren das für den Anwendungsfall optimale Konzept entwickelt werden. In den Differentialgleichungen für die Wärmeableitung sind der: Wärmedurchgang oder Wärmestrom Φ, der Wärmedurchgangskoeffizient k, die Wärmeleitfähigkeit λ, die vorhandene Fläche A, die Wärmeübergangszahl α und die Temperaturen in dem Bauteil, in seiner Umgebung, oder in einer Kühleinrichtung von Bedeutung. Grafik 1: Wesentliche Einflussfaktoren auf Für den Wärmedurchgang an einer Wand das thermische Design gilt: Φ = k * A* T dabei hängt k von der Wärmeleitfähigkeit und der Materialstärke ab. Der Wärmedurchgangskoeffizient k ergibt sich proportional aus den einzelnen Wärmeleitfähigkeiten λ sowie den einzelnen Wärmeübergangskoeffizienten α. Wärmeleitfähigkeit λ [W/m*K] Wärmeübergangszahl α [W/m²*K] Bei erzwungenen Strömungen Kupfer 390 Silber 429 Luft 0, bis 100 Wasser 0,6 600 bis Helium 0,152 Tabelle 1: Wärmeleitfähigkeit λ und Wärmeübergangszahl α für verschiedene Stoffe. L:\USER\Marketing\Presse\2005\Waterboard\Elektronik_Productronica2005_Fachaufsatz_Wärmemanagement.doc Seite 1 von 7

2 Da die spezifische Wärmeleitfähigkeit von Kupfer mit 390 W/(m*K) sehr hoch, die des umgebenden FR-4 jedoch gering ist, ist es nahe liegend, den Querschnitt des Kupfers für den Wärmetransport zu vergrößern. Typische Vertreter sind die Dickkupferleiterplatten. Bild2: Querschliff einer Leiteplatte mit 4x400µm Innenlagen Dickkupferlagen können mehrere Funktionen im thermischen Design übernehmen: Pufferung von kurzfristig eingeleiteter thermischer Energie aufgrund der hohen Wärmekapazität in Verbindung mit hoher Wärmeleitung Spreizung von lokal eingeleiteter Energie auf eine größere Fläche mit dadurch verbundener Absenkung der Spitzentemperatur Ableitung von Wärme auf Kühlkörper mit geringem thermischem Widerstand. Kühlkörper können außer den klassischen extern bestückten Kühlkörpern auch die Leiterplatte selbst oder z.b. sowieso vorhandene metallische Gehäuse oder Stecker sein. Die SEAG Iceberg Technologie Die bei der Herstellung von Dickkupferleiterplatten auftretende seitliche Unterätzung von Leiterstrukturen verbot in der Vergangenheit eine Kombination von Dickkupfer mit feinen Strukturen, wie sie üblicherweise im Bereich der Logikschaltungen verwendet werden. Auch die Bestückung von SMD-Komponenten erfordert eine feinere Strukturierung als dies mit Dickkupferschaltungen von bis zu 400µm Kupfer möglich ist. Um diese Lücke zu schließen wurde die sog. Iceberg Technologie entwickelt, die von den Firmen KSG Leiterplatten und SEAG gemeinsam vermarktet wird. L:\USER\Marketing\Presse\2005\Waterboard\Elektronik_Productronica2005_Fachaufsatz_Wärmemanagement.doc Seite 2 von 7

3 Grafik 2: Schematische Darstellung der SEAG Iceberg Technologie Über ein spezielles Fertigungsverfahren ist es möglich, dass sowohl Bauteile für die Leistungselektronik als auch für die Logik auf einer Leiterplatte untergebracht werden können und die Probleme von außenliegenden Dickkupferstrukturen, wie z.b. die schlechte Abdeckung von Leiterkanten mit Lötstopplack, vermieden werden. Diese Lösung ist sowohl kostengünstig, als auch platzsparend, da keine Verbindungselemente zwischen den beiden Teilen anfallen. Durch den Entfall von zusätzlichen Komponenten wie Steckern und Flexverbinder, hat das Iceberg-Design auch eine günstige Auswirkung auf die Zuverlässigkeit des Systems. Der hohe Kupferanteil verbessert die Wärmeleitfähigkeit und ermöglicht es, Wärme, zum Beispiel an Gehäuse, zu übertragen. Die thermische Anbindung der Leiterplatte an das Gehäuse ermöglicht es, die Kühlfläche deutlich zu erhöhen und so die Wärmespreizung und die Wärmeabfuhr zu verbessern. In dieser Skizze sehen Sie noch weitere Designelemente, die sogenannten thermal vias. Grafik 3: Wärmeabfuhr durch Thermal Vias und Wärmespreizung im Heat Sink Jede Bohrung trägt zur Erhöhung des Querschnitts bei, über die die Wärme über den Mechanismus der Wärmeleitung abgegeben werden kann. Tabelle 2 zeigt die Auswirkungen auf die Wärmeleitfähigkeit einer Leiterplatte in der z-achse durch die Integration von via Feldern in Abhängigkeit von Bohrdurchmesser und dem verwendeten Loch zu Loch-Abstand (=pitch). Grafik 4: Via Feld Tabelle 2: Thermische Leitfähigkeit in z-achse. In Abhängigkeit des Bohrdurchmessers und pitch L:\USER\Marketing\Presse\2005\Waterboard\Elektronik_Productronica2005_Fachaufsatz_Wärmemanagement.doc Seite 3 von 7

4 Die thermische Leitfähigkeit eines Standardmultilayers liegt ohne Integration von via-feldern in der z-achse nur zwischen 0,5 und 0,7 W/m*K. In speziellen Lösungen konnten wir so die Wärmeleitfähigkeit auf 30 W/m*K steigern. Die Auswirkung war eine Reduzierung der Temperaturdifferenz zwischen Bauteil und Leiterplattenunterseite von 135K auf 2 K. Wärmeübertragung auf Kühlkörper Bei der Wärmeübertragung auf Kühlkörper oder Gehäuse ist ein guter Formschluss zur Erzielung hoher Querschnitte für die Wärmeleitung ein wichtiger Faktor. Um dies zu erreichen, kann zur Wärmeübertragung eine flexible Heatsink-Paste eingesetzt werden. Die elektrisch isolierende Paste hat eine hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit. Durch die Flexibilität ist diese Paste harten Systemen überlegen, die Luftspalte nur unzureichend überbrücken. Bild 3: Leiterplatte mit aufgedruckter flexibler thermischer Leitpaste zur Wärmeübertragung auf das Gehäuse. Die Handhabung von flexiblen Wärmeleitpads in komplexer Geometrie kann entfallen. Entwärmungsstrategien für komplexe Designs Leiterplatten mit hoher Anforderung an die Wärmeableitung und gleichzeitiger hoher Zuverlässigkeit sind heute in der Formel 1 im Rennsport im Einsatz. Zusammen mit den Systemhäusern entwickeln wir in diesen Fällen Lösungen, die genau auf die Ansprüche angepasst werden. Grafik 5: Entwurf des thermischen Designs einer 14-Lagen HDI-Schaltung für eine aktuelle Rennsportanwendung. Dargestellt sind nur die für den Wärmetransport wesentlichen Lagen Bild 4: Querschliff der realisierten Leiterplatte L:\USER\Marketing\Presse\2005\Waterboard\Elektronik_Productronica2005_Fachaufsatz_Wärmemanagement.doc Seite 4 von 7

5 Grafik 5 zeigt den theoretischen Entwurf, Bild 4 die Umsetzung einer SEAG-Lösung, die dieses Jahr in den Rennwagen eines namhaften Formel 1 Rennstalls eingesetzt wird. Mehrere komplexe HDI-Leiterplatten in dem Gesamtsystem stellen sicher, dass die hohen Anforderungen, die für den Renneinsatz gelten, sicher erfüllt werden. Bereits im Designstatus erfolgen detaillierte Berechnungen und vor dem ersten Systemtest werden solche Leiterplatten ausführlich auf deren Zuverlässigkeit getestet. So können aufwändige Redesigns vermieden, sowie Projektlaufzeiten verkürzt werden. Das SEAG Water Board die flüssigkeitsgekühlte Leiterplatte Bei jedem zu entwärmenden System muss die Frage geklärt werden, wo die Wärmeenergie letztlich verbleibt, das heißt, auf welches Medium sie übertragen wird. Der wichtigste Mechanismus, der heute verwendet wird, ist dabei die Konvektion. Wärme wird auf einen Kühler transportiert und von dort auf die umgebende Luft übertragen. Ein weiterer Mechanismus ist die Wärmestrahlung, deren Effekt jedoch erst bei hohen Temperaturen (>80 C) einen nennenswerten Anteil gewinnt. Oftmals hebt sich die Strahlungswirkung gegenseitig auf, wenn sich z.b. in einem dicht bestückten Rack Leiterplatten gegenseitig bestrahlen. In solchen Fällen muss u.u. sogar ein Wärmeeintrag durch IR-Strahlung berücksichtigt werden. Alle bisher vorgestellten Lösungen nutzen letztlich die Umgebung, also Luft, als Konvektionsmedium. Selbst bei Einsatz eines Lüfters, wie wir dies aus unseren PCs kennen, ist die Wärmeübergangszahl von Luft im Vergleich zu Flüssigkeiten deutlich geringer. Die Entwicklung einer wassergekühlten Leiterplatte war die logische Konsequenz. Unser Lösungsansatz unterscheidet sich dabei von anderen, dass einerseits eine sehr effektive Kühlung integriert wird, andererseits die Nachteile des direktem Kontakts von Flüssigkeiten zur Elektronik sicher vermieden werden. Ein Vorteil der Flüssigkühlung besteht darin, dass einzelne, besonders heiße Bereiche direkt am Ort der Wärmeentwicklung gekühlt werden können. Damit wird gegenüber einer reinen Wärmespreizung ein Aufheizen benachbarter Bereiche wirksam verhindert. Der ideale Einsatzbereich für das SEAG Water Board ist dort, wo eine Flüssigkeitskühlung schon vorhanden ist, wie das insbesondere beim Kraftfahrzeug sowie bei vielen industriellen Anwendungen der Fall ist. Über einfache Anschlüsse kann die Flüssigkeit an Kühleinrichtungen angeschlossen werden. Während der letzten Electronica zeigten wir ein Demonstrationsmodell, bei dem wir über ein Kühlgerät bei einer Durchflussleistung von 0,25 Liter pro Minute die Temperatur von über 60 C an der Oberfläche über den Kanal, bei einer ca. 3 mm starken Leiterplatte auf ca. 21 C herunterkühlten. In dieser einfach gehaltenen Konfiguration konnten Entwärmungsleistungen von über 100W erzielt werden. L:\USER\Marketing\Presse\2005\Waterboard\Elektronik_Productronica2005_Fachaufsatz_Wärmemanagement.doc Seite 5 von 7

6 Grafik 6: Schematische Darstellung des Kühlkreislaufs Bild 5: Demonstartion auf der ELECTRONICA 2004 Bild 6: Wasseranschlüsse, für Demonstrationszwecke auf der Oberseite des SEAG Waterboards montiert. Die Kühlleistung kann in weiten Bereichen über die Auslegung der Kühlkanäle, der Kühlflüssigkeit und der Leistung des Kühlaggregats optimiert werden. SEAG wird im Rahmen der internen Qualifizierung nach TS die Eignung für den Automotive- Einsatz nachweisen, was den Weg für Anwendungen im Bereich des Motormanagements, Getriebeelektronik und künftig auch für den Bereich der Hybrid- Fahrzeuge eröffnen wird. Wichtig ist in diesen Fällen aber, dass diese Funktion bereits im Design festgelegt, berechnet und dann auch erprobt wurde. Eine Nachrüstung ist nur durch einen Austausch und Neukonstruktion der Baugruppe möglich. L:\USER\Marketing\Presse\2005\Waterboard\Elektronik_Productronica2005_Fachaufsatz_Wärmemanagement.doc Seite 6 von 7

7 Auch hier zeigt sich wieder, dass die Einbindung des Leiterplattenherstellers bereits in der Designphase eine sehr gute Entscheidung ist, die sich hinsichtlich Kosten und Zuverlässigkeit äußerst positiv auswirkt. Die konsequente Einbindung des Leiterplattenherstellers in der frühen Design-Phase ermöglicht Ergebnisse wie in u. dargestellten Thermographie-Aufnahmen abgebildet. Die Hot Spots, im Bild links deutlich rot dargestellt, können drastisch reduziert werden. Bild 7: Thermographie-Aufnahme einer bestückten Leiterplatte vor (links) und nach erfolgter thermischer Optimierung (rechts). Quelle: Isola Solche Erfolge werden möglich, wenn Leiterplattenhersteller und Anwender eng zusammenarbeiten. Lassen Sie uns gemeinsam bereits schon in der Designphase die Chance nutzen, die- Kosten und die erfolgskritische time to market zu reduzieren. Autoren: Michael Nothdurft, Thomas Gottwald, Schweizer Electronic AG Kontakt: L:\USER\Marketing\Presse\2005\Waterboard\Elektronik_Productronica2005_Fachaufsatz_Wärmemanagement.doc Seite 7 von 7