Wärmemanagement - Lösungen für Leiterplatten-Anwendungen
Eine Leiterplatte erzeugt im Betrieb einer Anwendung Wärme die kontrolliert werden muss. Unter Wärmemanagement versteht man die Möglichkeiten und Technologien, die eingesetzt werden können, um ein System innerhalb seines Betriebstemperaturbereichs zu halten. Dies ist vor allem bei Beleuchtungsanwendungen, beim Betrieb von Prozessoren, Netzteilen, Adaptern oder bei Elektromotoren der Fall, die ein hohes Drehmoment erzeugen müssen.
Wärme kann in einem System von einer oder mehreren Leiterplatten ein Problem verursachen. Deshalb müssen Entwicklungsingenieure eine Lösung finden, um die auftretenden Temperaturen in einem kontrollierten Temperaturbereich zu halten. Und warum ist dies notwendig? Die Antwort lässt sich in einem Wort zusammenfassen: Zuverlässigkeit
Viele Komponenten bestehen aus Silizium. Überhitzung ist für dieses Material absolut zerstörerisch. Die optimale Temperatur wird von den Lieferanten der einzelnen Komponenten festgelegt. Eine thermische Erhöhung um 20°C kann die Lebensdauer des Bauteils durchaus um 50 % reduzieren. Das hat zur Folge, dass die Gesamtlebensdauer eines Geräts sich auf die Zuverlässigkeit auswirkt. Hier können nun Probleme mit der Garantie auftreten, die letztendlich den Nutzen für den Anwender verringert. Ein Fehler in einem Gerät ist für niemanden eine gute Sache und deshalb muss bei der Konzeption eines Gerätes auch das Temperaturproblem berücksichtigt werden.
Welche Arten von thermischen Lösungen können auf Leiterplatten eingesetzt werden?
Entwicklung Leiterbild
Die Vergrößerung der Abstände zwischen den Leitungen einer Leiterplatte kann eine gute Option sein, um die Wärme im Schaltkreis zu kontrollieren. Aber der Markttrend geht dahin, die Größe der Geräte zu reduzieren, die Komponenten zu miniaturisieren, und/oder die Größe der Leiterplatten zu verringern usw. Deshalb ist hier eine optimale Lösung des Wärmemanagements nicht immer leicht zu realisieren.
Kühlkörper
Ein Kühlkörper wird an der Leiterplatte oder dem Bauteil befestigt und sorgt für eine hohe Wärmeableitung. Das Metall des Kühlkörpers leitet die Wärme von der Schaltung ab und bietet eine größere Kontaktfläche mit der Umgebung (Rippen), um die Wärme ableiten zu können.
Thermische Vias / Pfad
Thermische Durchkontaktierungen werden unter dem Wärme erzeugenden Bauteil in der Leiterplatte angeordnet. Vias, die beschichtet oder nicht beschichtet sind, führen Frischluft zu und können die Wärme ableiten. Beschichtete Durchkontaktierungen sind hier effizienter, da Kupfer eine bessere Wärmeableitfähigkeit bietet.
Kupferinlays/Eingebettet
Kupferinlays sind größere Kupferbereiche oder -flächen, sowohl auf der Oberfläche, als auch im Inneren einer Leiterplatte. Die Kupfermasse hält die Temperatur länger niedrig, denn je mehr Kupfermasse die Wärme ableitet, desto länger dauert es, bis sie sich wieder erwärmt. Ein kleiner Topf mit Wasser braucht zum Beispiel weniger Zeit zum Kochen als ein großer Topf. Das Kupferinlay wirkt außerdem wie ein Heizkörper und bietet mehr Oberflächenkontakt mit der Umgebung. Kupfer kann auch im Inneren der Leiterplatte „vergraben“ sein. Dies wird auch als eingebettetes Kupfer bezeichnet.
Flüssigkeitsgekühlte Systeme
Bei einigen komplexen Systemen, wie z. B. leistungsstarken Servern oder Computern, können Entwickler einen flüssigkeitsgekühlten Kreislauf einsetzen, der wie ein Kühlsystem im Auto funktioniert. Die Flüssigkeit zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf und entzieht der Leiterplatte Wärme. Im weiteren Kontakt mit einem Kühkörper oder einem Lüfter erfolgt dann der weitere Wärmeausgleich.
Dickkupfertechnik
Die meisten Leiterplatten sind für Anwendungen mit niedriger Spannung oder geringer Leistung ausgelegt. Anwendungsfälle mit Bedarf an hohen Leistungen (àWärme!) haben in den letzten Jahren jedoch stetig zugenommen. Die Dickkupfertechnik wurde entwickelt, um die Strombelastbarkeit zu erhöhen, die Temperaturbeständigkeit zu verbessern und die Größe der Produkte zu verringern, ohne dabei das Risiko eines Ausfalls einzugehen. Während Leiterbahnen bei üblichen Leiterplatten mit einer Dicke von ½ bis 3 oz/ft2 ausgelegt sind, weisen Leiterbahnen bei Platinen in Dickkupfertechnik Kupferstärken von bis zu 20 oz/ft2 auf.
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