Wärmemanagement beim PCB-Design in der Leistungselektronik

Die Entwicklung in der Leistungselektronik folgt seit vielen Jahren demselben Trend. Die Bauteile werden immer schneller, kleiner und effektiver. Leistungshalbleiter wie MOSFETs und IGBTs beispielsweise sperren immer größere Spannungen, die Stromdichten werden immer höher und sie schalten immer schneller. Eine Folge sind höhere Sperrschichttemperaturen. Der steigende Trend zum Einsatz von Wide-Bandgap Materialien wie Siliziumkarbid kommt dem etwas entgegen: durch die höhere Effizienz und die kleineren Chipflächen, die dank ihnen benötigt werden. Die Notwendigkeit des Wärmemanagements wird dadurch zwar leicht reduziert, aber es ist trotzdem noch notwendig, sich beim Designprozess darüber Gedanken zu machen. Denn durch den generellen Trend zur Miniaturisierung mit zunehmender Verlustleistungsdichte wird die Wärmeleistung einer Baugruppe zu einem wichtigen Qualitätsfaktor in der Elektronikfertigung.

In den letzten Jahren ist das Interesse an Leistungselektronik immer weiter gestiegen. Der Bedarf an elektrischem Leistungsmanagement und -steuerung (Smart Grid), der enorm schnell wachsende Sektor erneuerbarer Energieerzeugung und -steuerung (Windkraft, Photovoltaik), die Branche des elektrischen Transports und Elektromobilität (Elektroautos) und der damit verbundene Wunsch, die Betriebseffizienz zu steigern. Überall dort werden leistungselektronische Umrichter eingesetzt um Spannung, Strom oder die Frequenz variieren zu können. Dabei geht die Leistung von wenigen Milliwatt in bspw. Smartphones bis hin zu vielen Megawatt in der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ). Es geht also in der Leistungselektronik weniger um Informationsübertragung, die immer höhere Geschwindigkeiten erreichen soll. Im Vordergrund steht ein hoher Wirkungsgrad und damit verbunden wenig Leistungsverluste. 

Definition des thermischen Widerstands

Bei der Betrachtung von stationären Systemen sind für Maßnahmen der thermischen Leistung zwei Attribute von besonderer Bedeutung: Die Sperrschichttemperatur TJ des Halbleiterbauelementes mit seiner signifikanten Verlustleistung (Durchlass und Schaltverluste) oder der thermische Widerstand Rth, der durch die Temperaturdifferenz entlang eines thermischen Pfades

(Tc ist hierbei die Temperatur der Schnittstelle des Gehäuses des Moduls und eines Kühlers) und den Leistungsverlust, der durch diese Temperaturdifferenz entsteht, definiert:

Diese Gleichung bietet einen nützlichen Ansatz um die thermische Leistung einer Baugruppe in erster Näherung zu beschreiben. Was an dieser Stelle schon auf der PCB-Design Ebene bedacht werden kann und sollte ist, dass die Formel ihre Richtigkeit nur dann behält, wenn die Gehäusetemperatur möglichst gleichmäßig ist. Die gleichmäßige Wärmeverteilung über eine möglichst große Fläche des Gehäuses ist ein wesentliches Anliegen des Wärmemanagements auf der Leiterplattenebene. 

 

Ein weiterer Ansatz zur Beschreibung des thermischen Widerstandes ist in folgender Formel dargestellt:

An dieser ist abzulesen, dass der thermische Widerstand durch drei Parameter reduziert werden kann, die durch uns beeinflusst werden können. Sei es die Verkürzung des Wärmepfades l, die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Materials oder die Vergrößerung der Fläche des Kontaktpads A.

An dieser Stelle muss man natürlich zugeben, dass die Vergrößerung der Kontaktfläche im direkten Gegensatz zur Miniaturisierungstrend steht. Die anderen beiden Möglichkeiten sind allerdings schon Stellschrauben die genutzt werden können, um das Wärmemanagement des Systems zu verbessern. Der Wärmepfad sollte also so kurz wie möglich und die Wärmeleitfähigkeit des Materials zwischen Bauteil und Kühlung so groß wie möglich sein.

Warum gutes Wärmemanagement so wichtig ist

Welche Ursachen gibt es für den Ausfall elektronischer Systeme? Neben Staub, Feuchtigkeit und Vibrationen ist der Temperatur ein großer Einflussfaktor. Um die Zuverlässigkeit Leistungselektronischer Systeme auf ein Maximum zu treiben ist ein effizientes Konzept für das Wärmemanagement unbedingt notwendig. Nehmen wir als Beispiel Hochleistungs-LED-Systeme, die aufgrund hoher Effizienz und langer Lebensdauer vermutlich bald in allen Haushalten und anderen Bereichen wie auch der Fahrzeugscheinwerfer- und Signaltechnik für die Beleuchtung sorgen werden. Die Leistungsaufnahme dieser LEDs liegt bei bis zu 10 Watt und wird in Zukunft noch steigen. Allerdings werden von dieser elektrischen Leistung circa 60% in Wärme umgewandelt. Davon abgesehen, dass die Systeme nicht mehr Berührungssicher sind, werden frühere Ausfälle sowie eine Reduzierung der Lebensdauer der Systeme riskiert, wenn diese Wärme nicht auf effiziente Weise abgeführt wird. Andere Komponenten wie auch die Löt- und Bonddrahtverbindungen leiden enorm unter dem hohen thermischen Stress, dem sie dadurch ausgesetzt sind.

 

Lösungsansätze für das Wärmemanagement auf Leiterplattenebene

Es gibt diverse Möglichkeiten, das Wärmemangement beim PCB-Design zu optimieren. Beispielsweise durch verschiedene metallische Materialien innerhalb oder auch auf der Leiterplatte (Kupfer-Inlay, IMS, etc.). Oder Dickkupferleiterplatten, die neben der guten Entwärmung auch noch die Stromtragfähigkeit vergrößern.

An dieser Stelle soll jedoch weniger auf Möglichkeiten in der Leiterplatten-Herstellung, sondern mehr auf die Möglichkeiten eingegangen werden, die sich beim PCB-Designprozess offenbaren. Hierbei sollte sich primär auf die Wärmeabfuhr durch Konduktion konzentriert werden, also dem Wärme(ab-)fluss im Material. Dieser sollte sinnvoll über die Fläche verteilt sein, damit eine schnelle Reduktion der hohen Temperatur durch Wärmestrahlung ermöglicht wird. Eine effektive Wärmeabfuhr auf Leiterplatten muss wie schon erwähnt auf kurzem Wärmeleitpfad passieren. Das geschieht entweder

  • senkrecht durch die Leiterplatte zu einem Kühlkörper
    (thermische Vias)

  • durch eine Leiterschicht als seitlicher Wärmeverteiler

  • eine Kombination aus beidem

Für diese Wärmeabfuhr-Konzepte gibt es viele gute Ansätze, die sowohl für professionelle als auch Hobbyelektroniker Anwendungen eingesetzt werden können. Aufgrund des guten Wärmeleitwertes von Kupfer garantiert es, richtig eingesetzt, eine deutliche Reduzierung  sogenannter Hot Spots auf der Leiterplatte.
 
 

Dicke Kupferansätze auf Leiterplatten sorgen beispielsweise für eine sehr gute seitliche Wärmeverteilung, über thermische Vias kann die Wärme durchs Dielektrikum auf die Unterseite der Leiterplatte hin zu einem Kühlkörper transportiert werden. Gerade unter Leistungshalbleiterelementen und Hochleistungs-ICs können sie für die Wärmeabfuhr enorm verbessern. Im Normalfall sind die Vias mit Luft “gefüllt”. Um den thermischen Widerstand weiter zu reduzieren, kann man neben der Reduzierung des Wärmeübertragungswegs die Wärmeleitfähigkeit vergrößern, indem man die Vias mit Material füllt, im Idealfall Kupfer. Generell kann der thermische aber auch noch durch die Parallelschaltung thermischer Vias realisiert werden. Es entstehen dann sogenannte Via-Arrays, die entweder unter oder seitlich vom Bauteil angeordnet werden können. Unterm Bauteil ist die Effektivität zwar am höchsten, es kann jedoch zu ungewolltem Lotabfluss in die Vias kommen. Dadurch entstehen schlechte Lötverbindung und der thermische Widerstand kann unter Umständen damit größer werden. Um dem entgegenzuwirken gibt es folgende Möglichkeiten:

  • seitliche Anordnung (geringere Effektivität)

  • Füllung der Vias

  • Lötstoppmaske auf der PCB

  • Durchmesser der Vias zu klein wie möglich halten

Insgesamt lässt sich sagen, dass all diese Maßnahmen mittels thermischen Vias nur dann sinnvoll sind, wenn sie nicht nur als Wärmesenke angesehen werden, sondern als Wärmepfand zur Kühlmaßnahme. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich dabei um Kühlkörper oder um zusätzliche (große) Kupferflächen auf der Leiterplatte handelt. Von dort aus kann und muss die Wärme an die Umgebung abgegeben werden.

Über den Autor

Florian Störmer


Florian Störmer ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Rostock beim Lehrstuhl für Leistungselektronik und elektrische Antriebe, wo er hauptsächlich das Schaltverhalten von Leistungshalbleitern mit unterschiedlichen Ansteuerverfahren untersucht.

Zur Realisierung dieser entwickelt und designt er eigene Treiberplatinen, die den verschiedensten speziellen Ansprüchen gerecht werden müssen.

Im Zuge seiner Untersuchungen hat er unter anderem mit Infineon und Siemens zusammengearbeitet.

Dabei entstanden mehrere wissenschaftliche Arbeiten, die auf der führenden internationalen Fachmesse für Leistungselektronik, der PCIM Europe, veröffentlicht wurden.

Florian Störmer is a research assistant at the Chair of Power Electronics and Electrical Drives at the University of Rostock, where he mainly investigates the switching behaviour of power semiconductors with different control methods.

He develops and designs his own driver boards, which have to meet various special requirements.

In the course of his investigations he has collaborated with Infineon and Siemens, among others.

This resulted in several scientific papers that were published at the leading international conference for power electronics, PCIM Europe.

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