Elektrofahrzeuge haben PCB-Designer dazu inspiriert, Wärme mithilfe von glasverstärktem PTFE abzuleiten

August 15, 2017 Altium Designer

Teflon frying pan

 

Vor zehn Jahren begann meine Berufstätigkeit mit dem Entwerfen von Gaming-Motherboards. Ich musste viel lernen, insbesondere im Bereich der thermischen Eigenschaften. Das Hinzufügen von Kühlkörpern, Lüftern und anderem Zubehör, die zur Verbesserung meiner PCBs erforderlich waren, ging mit der Zeit wie von selbst. Gerade als ich dachte, ich hätte mich zu einem Künstler in Sachen Wärmeableitung entwickelt, erzählte mir ein Freund davon, dass Elektrofahrzeuge der Wärmeableitung neue Dimensionen erschließen. Leistungsregler, Elektromotoren und Motorsteuerungseinheiten sind allesamt Bauteile von Elektrofahrzeugen, die viel Wärme abgeben. Im Gegensatz zu Gaming-Motherboards sind die konventionellen Wärmeableitungsmethoden, die auf sperrige SMT-Bauteile und Lüfter setzen, bei diesen kleinen Leiterplatten keine Option. Das Gespräch mit meinem Kollegen weckte mein Interesse, und so fragte ich ihn, wie die Designer in seinem Team mit all dem umgehen. Welche alternativen Möglichkeiten bieten sich, wenn Kühlkörper und Lüfter als Lösung ausscheiden?

 

Nahaufnahme eines SMT-Kühlkörpers auf einem PCB
Konventionelle Kühlkörper wie dieser eignen sich nicht für die knappen Platzverhältnisse von Elektrofahrzeug-Projekten.
 

Das Keramik-PCB: Wärmeableitung mit dem besten Preis-Leistungsverhältnis

 

Für Designer von Hardware für Elektrofahrzeuge bedeutet dies, dass eine völlig neue Sichtweise eingenommen werden muss. Das PCB selbst muss zum Bestandteil des thermischen Gesamtkonzepts werden. Insbesondere das Substratmaterial des PCB muss eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Platinen, die effektiv Wärme von den Bauteilen abführen, kommen ohne Lüfter aus und benötigen weitaus kleinere Kühlkörper. Vor diesem Hintergrund werden Designer wahrscheinlich zu der Erkenntnis gelangen, dass Keramik-PCBs die beste Option sind. Im Vergleich zu Standard-Platinen aus FR-4-Material bietet Keramik eine bis zu 170-mal höhere Wärmeleitfähigkeit, und es können Betriebstemperaturen von bis zu 350 °C gehandhabt werden. Darüber hinaus bieten Keramik-Platinen eine deutlich höhere Festigkeit und bessere dielektrische Eigenschaften als Kunstharz-Platinen. Diese haben sich unter Designern von Elektrofahrzeugen zum Substratmaterial der Wahl  für Leistungswandler-Platinen entwickelt, die bei Elektrofahrzeugen eine entscheidende Komponente darstellen. Diese Platinen sind für die Umwandlung von Gleichstrom von der Fahrzeugbatterie in hochfrequenten Wechselstrom für die Traktionsmotoren ausgelegt. Bei dieser anspruchsvollen Anwendung wird eine beträchtliche Menge an Wärme erzeugt, sodass Platinen, welche dieser Wärme nicht standhalten können, auf lange Sicht verschmoren. Die Leiterplatten werden auch in Ladeschaltungen und Spannungsreglern für Niederspannungsgeräte verwendet, die ähnliche Anforderungen an die Leistungswandler stellen. Es überrascht nicht, dass Keramik-Platinen für PCB-Designer von Elektrofahrzeugen eine beliebte Wahl sind.

 

CPU
Vor der Verwendung in Elektrofahrzeugen waren keramische Substrate, wie auf dem Bild zu sehen, ein beliebtes Material für Computerprozessoren und ICs.
 

Das Beste beider Welten: Glasfaserverstärkte PTFE-PCB

 

Das Wort Keramik-PCBs hört sich gut an, nicht wahr? Das war aber noch nicht alles, denn trotz ihrer hervorragenden thermischen Eigenschaften erweisen sich diese PCBs als sehr ungeeignet, wenn es um die Kostenminimierung geht. Keramik-PCBs werden mit fortschrittlichen Stanz- und Maschinenbearbeitungsverfahren hergestellt. Bei konventionellen Platinen dagegen wird ein Siebdruckverfahren angewandt, das sich gut skalieren lässt und auch sehr kosteneffektiv ist. Mein Designer-Kollege sagt, dass er gerne bei seiner gesamten Arbeit Keramikmaterial verwenden würde. „Es würde mir die Arbeit sicherlich einfacher machen”, sagt er lachend. Das ist aber leider nicht machbar, und so wird Keramik-Material ausschließlich für kritische Elektrofahrzeug-Bauteile verwendet. Dies führt uns zu glasfaserverstärkten Polytetrafluorethylen (PTFE)-Platinen, auf die Elektrofahrzeug-Hersteller bei Sicherheits‑, Steuerungs‑ und Beleuchtungs-PCBs zurückgreifen. So genannte „Thermal Enhanced”-PTFE-Platinen sind besonders bei LED-Scheinwerfereinheiten beliebt, die dicht gebündelte Wärme abgeben, aber nicht für eine Keramik-Platine geeignet sind. So wie bei Harz-Platinen wird ein günstigeres, geschichtetes Herstellungsverfahren verwendet, das allerdings eine weitaus höhere Wärmestabilität bietet. Mit Betriebstemperaturen von bis zu 200 °C sind diese Platinen für eine Reihe äußerst anspruchsvoller Anwendungen geeignet. Kein Wunder, dass PTFE seit 50 Jahren als Antihaftbeschichtung für Bratpfannen verwendet wird.

 

Teflon-Bratpfanne
Abgesehen von PCBs wird PTFE als Antihaftbeschichtung für die meisten im Alltag verwendeten Bratpfannen eingesetzt.
 

Dies sind zwei beliebte Optionen für PCB-Designer im Elektrofahrzeugbereich, aber keineswegs die einzigen. Dank der neu entstehenden „hybriden” Substrat-Designs ist es wahrscheinlich, dass in naher Zukunft viele weitere Optionen folgen werden. Bei seinen Überlegungen zu einem möglichen Platinentyp wies mein Designer-Kollege auf zwei entscheidende Aspekte hin, die es zu beachten gilt: die Übergangstemperatur des Glases und den Wärmeleitfähigkeits-Koeffizienten.

 

Glasübergangstemperatur: Die Temperatur, bei der das Platinen-Substratmaterial das Verhalten eines Feststoffs ablegt und viskos wird. Dies würde ich nicht als Schmelzvorgang im eigentlichen Sinne bezeichnen, sondern es handelt sich eher um eine absolute Temperatur-Obergrenze, die mit einem vernünftigen Sicherheitsfaktor kompensiert werden sollte.

 

Der Wärmeleitfähigkeits-Koeffizient: Dieser Wert gibt Aufschluss darüber, wie gut die Platine die Wärme „aufnimmt” und ableitet. Je höher die Zahl, desto besser kann die Platine Wärme von integrierten Schaltungen und sonstigen Bauteilen ableiten.

 

Achten Sie auf diese beiden Werte, um sicherzugehen, dass Ihre Platine die erforderliche Menge an Wärme leiten kann, ohne sich zu verformen.  Dann wird Ihr nächstes Elektrofahrzeug-Projekt nicht durch unzureichend ausgelegte PCBs beeinträchtigt werden.

 

Auch wenn Sie vielleicht nicht in der spannenden Welt der Elektrofahrzeuge tätig sind, ist es bei zahlreichen PCB-Projekten von entscheidender Bedeutung, den Überblick über die Auswirkungen von Wärme und Wärmestabilität zu behalten. Altium CircuitStudio vereint herausragende PCB-Tools und Projektsimulationen in sich. Sie können das Design und die Leistung Ihrer neuesten PCB-Kreation in einer intuitiven und detaillierten Umgebung verifizieren. Die native 3D-Umgebung stellt außerdem sicher, dass Sie Ihr Design problemlos evaluieren und modifizieren können. Verwirklichen Sie noch heute Ihr nächstes Projekt mit CircuitStudio.

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PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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