Webinar: Thermische Simulation hilft bei der Auswahl des richtigen Wärmemanagementkonzeptes Würth Elektronik Circuit Board Technology

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1 Webinar: Thermische Simulation hilft bei der Auswahl des richtigen Wärmemanagementkonzeptes Würth Elektronik Circuit Board Technology Seite

2 Grundlagen Treiber für immer effektivere Wärmemanagementkonzepte Weitere Miniaturisierung Bauelemente Immer leistungsstärkere Bauelemente Wärmeverlustleistung pro Flächeneinheit steigt Ansteigende Taktfrequenzen, höhere Packungsdichten Montage bestückter Leiterplatten an warme Aggregate und Maschinenteile oder in hermetisch dichte Gehäuse Bedarf an Schaltungsträgern mit sorgfältig geplanten thermischen Management steigt stetig Besonders die Temperaturbelastbarkeit von LED-Anwendungen ist beschränkt Veränderung Licht- und Farbeigenschaften / Reduzierung Lebensdauer Seite

3 Grundlagen über 50 % der Ausfälle werden durch erhöhte Temperaturen verursacht Humidity 19% Dust 6% Vibrations 20% Entwärmung bestimmt die System- Leistungsfähigkeit Kühlung ist entscheidend für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer Temperature 55% Source::US Air Force Avionics Integrity Program (AVIP) Leiterplatte spielt bei der Erarbeitung eines effizienten Wärmemanagementkonzeptes eine wichtige Rolle Seite

4 Grundlagen Länge des Wärmepfades d thermischer Widerstand Rth = Wärmeleitwert λ * Querschnitt des Wärmepfades A Ziel: thermischen Widerstand reduzieren Schichtdicke verkleinern dünne Leiterplatte dünne Isolationsschichten Wärmeleitwert vergrößern Erhöhung Kupferanteil parallele thermische Vias in z Achse Querschnitt Wärmepfad vergrößern min. 25µm Kupfer in der Hülse! parallele thermische Vias große Kupferflächen zur Wärmespreizung (x/y) große Kontaktfläche Kupfer zum Kühlkörper Seite

5 Grundlagen Arten der Wärmeleitung Strahlung: Konvektion: Emission von Photonen Wärmeübertragung durch Gase und Flüssigkeiten Konduktion: Weitergabe von Wärmeenergie durch in der Regel feste Körper Vertikal: Thermovia / Microvia/Buried Via Horizontal: Wärmespreizung Kupfer / Heatsink Seite

6 Layout Seite

7 Randbedingungen Simulation Leiterplatte Größe 45 x 45 mm Verlustleistung LED 3W Umgebungstemperatur 20 C Leiterplatte senkrecht freistehend im Labor Wärmeübertragung zur Luft 12 W/m²K Seite

8 Variante 1 Kupfer Lage: 50µm FR4: 1550µm Layout Seite

9 Variante 1 Seite

10 Variante 2 Kupfer Lage: 50µm FR4: 1550µm verbessertes Layout Seite

11 Variante 1 Layout mit Kupfer fluten dadurch Wärmespreizung Reduzierung Temperatur LED von 552 C auf 170 C Variante 2 Seite

12 Variante 3 Kupfer Lage: je 50µm FR4: 1550µm verbessertes Layout zusätzliche Kupferlage BOTTOM Seite

13 Variante 2 zusätzliche Lage BOTTOM Reduzierung Temperatur LED von 170 C auf 144 C Variante 3 Seite

14 Variante 4 Kupfer Lage: je 50µm FR4: 1550µm Thermovia Hülse 25µm Kupfer verbessertes Layout zusätzliche Kupferlage BOTTOM Thermovia von 1 nach 2 Seite

15 Variante 2 Variante 3 Variante 4 2 Lagen und Thermovia Reduzierung Temperatur LED von 170 C auf 113 C Seite

16 Variante 5 Kupfer Lagen 2: je 50µm FR4 Dicke reduziert: 500µm Thermovia Hülse 25µm Kupfer Aluminium Heatsink: 1000µm verbessertes Layout zusätzliche Kupferlage BOTTOM Thermovia von 1 nach 2 Seite

17 Variante 2 Variante 3 Variante 5 2 Lagen, Thermovia und Heatsink Reduzierung Temperatur LED von 170 C auf 89 C Seite

18 - Fazit Eine ausreichende Entwärmung ist bei den Varianten 1, 2 und 3 nicht gegeben. Die Variante 4 befindet sich im Grenzbereich. Wird berücksichtigt, dass in der LED selbst noch eine Temperaturerhöhung von 4 bis 6 Grad stattfindet, kann die zulässige Junction Temperatur bereits überschritten werden. Mit dem Einsatz von Thermovia und Heatsink in Variante 5 kann eine zuverlässige Entwärmung der LED gewährleistet werden. Seite

19 Kupfer Lagen 2: je 50µm FR4 Dicke reduziert: 500µm Thermovia Hülse 25µm Kupfer Aluminium Heatsink: 1000µm Heatsink umlaufend 15mm größer Seite