Umfassender Leitfaden zum PCB-Temperaturmanagement

Inhaltsverzeichnis:

• PCB-Temperatur messen
• Wie viel Hitze verträgt ein PCB?
• Häufige Ursachen für hohe Hitze in PCBs
• Hohe Temperaturen in PCBs verhindern
• Kontaktieren Sie MCL für alle PCB-Bedürfnisse

Temperatur ist ein entscheidendes Element für Sicherheit, Zuverlässigkeit und Leistung bei Leiterplatten (PCBs). Hohe Temperaturen können schnell zu Fehlfunktionen und dauerhaften Schäden führen.

Verschiedene Umstände können Hitze in die Funktionsweise eines PCBs einbringen. Ein auf dem PCB montiertes Bauteil könnte übermäßige Hitze erzeugen. Ein externes Element – beispielsweise eine andere Komponente in einem komplexen System wie Luft- und Raumfahrt oder Medizintechnik – könnte übermäßige Hitze erzeugen. Hitze könnte sich im PCB aufgrund unzureichender Belüftung aufstauen. Oder während der PCB-Bestückung könnte die beim Bohren und Löten entstehende Hitze unangemessenen thermischen Stress auf Bauteile ausüben und zu defekten Boards führen.

Unabhängig vom Grund benötigen Ingenieure Wege, Hitze zu managen, damit PCBs den unvermeidlichen hohen thermischen Belastungen standhalten. Welche effektiven PCB-Wärmeableitungstechniken und Methoden zur Verhinderung von PCB-Temperaturanstieg gibt es? Wir beantworten diese Fragen unten detailliert.

Warum ist PCB-Temperaturüberwachung wichtig?

PCB-Temperaturüberwachung ist kritisch, weil hohe Temperaturen die PCB-Struktur verändern und ihre Leistung mindern oder zum Ausfall führen können.

PCB-Temperaturmessung ist auch kritisch, weil die durch hohe Temperaturen entstehenden Probleme nicht lokalisiert bleiben. Sie können sich schnell auf andere PCB-Komponenten ausbreiten und eine Kaskade von Fehlfunktionen und Schäden verursachen.

Übermäßige Hitze in einem PCB kann folgende Schäden verursachen:

• Verlust der strukturellen Integrität: Übermäßige Hitze kann die Integrität eines PCBs beschädigen. Die Lagen eines PCBs sind hochsensibel für Temperaturschwankungen und dehnen sich bei Hitze aus und ziehen sich bei Kälte zusammen. Übermäßige Hitze kann zu Verzug in Längen, Breiten und Dicken verschiedener PCB-Lagen führen.
• Störung von Leiterbahnen: Übermäßige Hitze kann auch Schaltkreisschäden verursachen. Leiterbahnen dehnen sich aus und verformen sich bei Überhitzung. Dadurch werden sie anfällig für Frequenzverschiebungen, Verzerrungen und Verluste. Ihre Leiterimpedanz kann vom Standardwert von 50 Ohm abweichen. Millimeterwellen- und Mikrowellenschaltungen haben besonders winzige, empfindliche Komponenten, die leicht Schaden nehmen, wenn sie sich bei hohen Temperaturen ausdehnen und verformen.
• Inkompatible Materialausdehnungsraten: Die oben genannten nachteiligen Effekte werden durch die Tatsache verstärkt, dass sich verschiedene Materialien mit unterschiedlichen Raten ausdehnen. Ein PCB hat zwei grundlegende Lagentypen: Dielektrikumslagen und leitende Metalllagen. Da sie unterschiedliche Materialien enthalten, dehnen sie sich bei Hitze unterschiedlich aus. Ein überhitzendes PCB kann weiteren Schaden erleiden, wenn die verschiedenen Lagentypen auseinandergezogen werden.
• Oxidation: Oxidation von PCB-Komponenten ist auch bei hohen Temperaturen ein Problem. Exponiertes Dielektrikum in PCBs hat keinen Schutz gegen Oxidation, wenn es keine schützende Laminatbeschichtung hat. In diesem Fall kann das Material nach Einwirkung hoher Hitze rosten. Verlust von Übertragungsleitungen und ein höherer Dissipationsfaktor sind oft die Folge.

PCB-Temperatur messen

Bevor Sie die PCB-Temperatur messen, ist es essenziell, die primäre Wärmequelle im PCB zu bestimmen – typischerweise der Mikrocontroller oder Mikroprozessor – sowie die Temperatursensoren zu lokalisieren.

Es ist auch notwendig, die Ground-(GND)-Pins zu finden, die meist mit dem Substrat der Wärmequelle verbunden sind. Ein großer Prozentsatz der im PCB erzeugten Hitze bewegt sich über diese GND-Pins zum Temperatursensor. Da die Pins mit dem Substrat verbunden sind, haben sie den geringsten thermischen Widerstand aller PCB-Komponenten zwischen Temperatursensor und Wärmequelle.

Sobald Sie diese Informationen haben, kann die Temperaturüberwachung beginnen. PCB-Temperaturmessung umfasst typischerweise drei Schritte:

1. Eine Masseebene zwischen Temperatursensoren und Wärmequelle platzieren.
2. Die GND-Pins jedes Temperatursensors mit der Masseebene der Wärmequelle verbinden.
3. Sicherstellen, dass Temperatursensoren und Wärmequelle auf dem PCB nah beieinander bleiben.

Diese Schritte ermöglichen es, die Temperaturen der primären Wärmequelle – und damit des PCBs insgesamt – mit Genauigkeit und Präzision zu messen.

Maximale Temperatur, die ein PCB verträgt

Wie viel Hitze ein PCB verträgt, hängt von seinen Materialien ab. Materialien mit optimalen thermischen Eigenschaften bieten zuverlässigen Widerstand gegen hohe Hitze, während andere weniger zuverlässig hohen Temperaturen standhalten. Die Metrik Glasübergangstemperatur (T_g) hilft, diesen Widerstand anzugeben. Beispielsweise hat FR-4 eine T_g von ca. 135 °C.

PCBs werden typischerweise als Hochtemperatur-PCBs definiert, wenn sie eine Temperaturgrenze von 150 °C standhalten. Einige Hochtemperatur-PCBs können noch höhere Temperaturen aushalten, aber Boards aus Materialien mit geringerer Hitzebeständigkeit können nur bei deutlich niedrigeren Temperaturen sicher betrieben werden. Hochtemperatur-PCBs werden in Anwendungen wie Automobil- und Industrieanwendungen, wo extreme Temperaturen zur Arbeitsumgebung gehören, immer häufiger.

Häufige Ursachen für hohe Hitze in PCBs

1. Bauteilfehlfunktion verursacht Dissipation

Eine häufige Ursache für hohe Hitze in einem PCB ist, dass ein Bauteil innerhalb des PCBs fehlfunktioniert und dissipiert, wodurch es nicht die typische Leistung erzeugt. Wenn dies passiert, müssen umliegende Bauteile mehr Leistung erzeugen, um zu kompensieren. Mehr Leistung zu erzeugen führt zum Überhitzungsrisiko.

2. Durchgangsloch-Interferenz

Through-Hole-Komponenten und Heat-Sink-Komponenten sind die PCB-Komponenten, die Leistung liefern. Sie erzeugen Hitze und leiten sie in die Luft ab. Wenn ein Heat Sink falsch verlötet ist oder eine andere PCB-Komponente das Through-Hole stört, erzeugen die anderen Bauteile mehr Hitze als üblich zur Kompensation. Dieses Szenario führt ebenfalls zu Überhitzungsrisiko.

3. Abstand von Surface-Mount Devices (SMDs)

Surface-Mount Devices (SMDs) verbinden sich wie Through-Hole-Komponenten mit dem PCB. Sie ermöglichen einen glatteren Stromfluss durch Through-Hole- und Heat-Sink-Komponenten. But Through-Hole-Komponenten und SMDs müssen im korrekten Abstand zueinander positioniert sein. Wenn sie zu weit voneinander entfernt sind, muss der Strom weiter fließen. Die zusätzliche Zeit, die der Strom benötigt, kann bewirken, dass die empfangenden Bauteile zu lange kühl bleiben. Dann können andere Bauteile überhitzen, um zu kompensieren.

4. Hochfrequenzschaltungen

Hohe Temperaturen sind besonders wahrscheinlich in Anwendungen mit Hochfrequenzschaltungen. Der Grund: Die Erzeugung von mehr Leistung produziert natürlich mehr Hitze.

Hochfrequenzschaltungen (RF) sind beispielsweise ein schnell wachsender Sektor im PCB-Engineering. Diese Schaltungen sind hochkomplex, haben aber viele nützliche Anwendungen – von drahtloser Sicherheit in Medizin- und Industrieprodukten bis zu Smartphones. Diese Hochfrequenzschaltungen erzeugen enorme Hitze, weshalb spezielle Designtechniken für diese PCB-Typen notwendig sind.

5. Bleifreies Lot

Die PCB-Industrie bewegt sich insgesamt in Richtung Beschränkung gefährlicher Stoffe (RoHS). RoHS-PCBs verwenden bleifreies Lot, und bleifreies Lot erfordert hohe Temperaturen, um frei zu fließen.

Hohe Temperaturen in PCBs verhindern

Wie wir gesehen haben, ist die Verhinderung eines PCB-Temperaturanstiegs kritisch. Wie können Sie Hitze in einem PCB reduzieren? Ingenieure können verschiedene PCB-Wärmeableitungstechniken einsetzen:

1. Heat Sinks (Kühlkörper)

Ein PCB ist im Grunde eine Hitze-erzeugende Fabrik aufgrund all der hitzeproduzierenden Komponenten. Der PCB braucht einen Weg, diese thermische Energie sicher abzuleiten. Generell ist die Antwort: Heat Sinks. Heat Sinks leiten die Hitze sicher ab, sodass sie sich nicht aufstaut und das Board beschädigt.

2. Lüfter

Die meisten Elektronikgeräte enthalten Lüfter zur Kühlung, und Teil deren Zweck ist, PCBs zu kühlen. Kühllüfter führen Hitze aus elektronischen Geräten ab und lassen kühle Luft ein, was Überhitzung verhindert und die Lebensdauer und Leistung des PCBs verlängert.

3. Material- und Komponentenwahl

Die Wahl hitzeresistenter Materialien ist eine der effektivsten Strategien zur Hitzereduzierung in PCBs. Beispielsweise sind Heavy-Copper-PCBs mit dicken Kupferplatten aufgrund ihrer Haltbarkeit und Fähigkeit, hohen Temperaturen standzuhalten, ausgezeichnete Wahl. Sie bewältigen höhere Strompegel, widerstehen höheren Temperaturen länger und bieten stärkere Verbindungsstellen als Standard-PCBs. Daher sind sie besonders nützlich in Automobil-, Luftfahrt-, Schwerlastmaschinen- und Stromwandleranwendungen und anderen Schwerlastumgebungen.

Viele PCBs enthalten FR-4, das zwar als Flammhemmer nützlich ist, aber extrem hohe Temperaturen nicht verträgt. Zu wissen, dass ein PCB FR-4 enthält, ermöglicht Ingenieuren, Schaltungen zu designen, die nicht mehr Hitze erzeugen, als das Material verträgt.

Materialien wie RF-Materialien (in Funkfrequenzschaltungen verwendet) und Polyamid sind ebenfalls hitzeempfindlich. Polytetrafluorethylen (PTFE) ist in RF-Boards extrem verbreitet, kann aber unter Bohr-Hitze verschmieren, und der Smear ist sehr schwer zu entfernen. Diese Materialien sind in PCBs weniger verbreitet als FR-4, aber Ingenieure sollten bei Designs mit diesen Materialien vorsichtig sein. Der Einsatz von Hochtemperatur-Laminat wird in diesen Situationen dringend empfohlen.

4. Platten-Dicke und -Breite erhöhen

In PCBs leiten dickere Platten Hitze weniger effektiv als dünnere. Sie benötigen mehr Leistung, um hohe Temperaturen zu erreichen, sodass sie mit richtigem Engineering das Risiko von Überhitzung, Verzug und Störung reduzieren können.

5. Laminate auftragen

Das Auftragen von Laminaten ist ein weiterer Weg, Schäden durch hohe Temperaturen zu verhindern. Hochtemperatur-PCB-Laminate können Überhitzung verhindern, indem sie Hitzeschutz für die PCB-Komponenten bieten.

Hochtemperatur-Laminate sollten folgende Schutz-eigenschaften aufweisen:

• Glasübergangstemperatur (T_g): Temperatur, bei der Polymere thermodynamisch von steif zu weich übergehen. High-T_g-PCBs bieten überlegenen Schutz.
• Zeit bis Delaminierung: Hohe Hitze kann ein PCB-Laminat über Zeit delaminieren. Die besten Laminate brauchen lange, um bei hohen Temperaturen zu delaminieren.
• Feuchtigkeitsaufnahme: PCB-Laminate sollten zuverlässige, schützende Feuchtigkeitsaufnahmefähigkeiten haben. In luftkontrollierten Umgebungen wie Laboren ist Feuchtigkeitsaufnahme möglicherweise keine hohe Priorität. In Umgebungen mit Umwelteinwirkung sind adäquate Fähigkeiten kritisch.
• Zersetzungstemperatur (T_d): Temperatur, bei der 5 % der Laminatmasse durch Zersetzung verloren gehen. Hohe Zersetzungstemperatur bietet überlegenen Schutz.
• Z-Achsen-Ausdehnung: Ausdehnung des Materials entlang der Z-Achse als Prozentsatz des thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Geringere Z-Achsen-Ausdehnung bietet überlegenen Schutz.

6. CTEs angleichen (Coefficient of Thermal Expansion)

Der thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE) misst, wie stark sich ein Material bei hohen Temperaturen ausdehnt. Im PCB-Design ist es ideal, wenn die Dielektrikumslagen einen ähnlichen CTE wie die Kupferlagen haben. Dann dehnen sich die Lagen bei Ausdehnung einheitlich aus, was zu minimalen Schäden führt.

In einem Multilayer-Stack führen nicht ausgerichtete CTEs dazu, dass Lagen radikal unterschiedliche Ausdehnungsraten haben, was Verzug und Störungen verursachen kann. Wenn diese ungleichmäßige Ausdehnung während der PCB-Bestückung auftritt, können Fehlausrichtungen auch ernste Bohrprobleme verursachen.

Die Wahl von PCB-Materialien mit niedrigeren CTEs hilft, Überhitzung zu verhindern. Beispielsweise hat PTFE, gefüllt mit Gewebe- oder Mikroglasfasern, ausgezeichnete elektrische Eigenschaften, aber auch einen hohen CTE. Dieses Material ist daher eine schlechte Wahl, wenn thermische Robustheit Priorität hat. Andererseits hat keramikgefülltes PTFE einen niedrigeren CTE und performt bei hohen Temperaturen deutlich besser, verliert aber etwas an elektrischen Eigenschaften.

7. Ausreichenden Abstand wahren

Die Bestimmung des Bauteilabstands auf einem PCB kann knifflig sein. Wenn Board-Komponenten zu nah beieinander sind, kann Crosstalk resultieren – verschiedene Komponenten interagieren auf unerwünschte Weise. Diese unerwünschten Interaktionen führen zum Skin-Effekt. Beim Skin-Effekt steigen Leiterwiderstände, was zu resistiven Verlusten und zusätzlicher Hitze im Schaltkreis führt. Der Skin-Effekt ist besonders bei Hochfrequenz-PCBs häufig, sodass Ingenieure bei Komponentenabstand besondere Sorgfalt walten lassen müssen, um Überhitzung zu vermeiden.

8. Heat Pipes korrekt integrieren

Heat Pipes in einem PCB können ebenfalls helfen, Hitze zu verteilen. Die Flüssigkeit in den Pipes kann Hitze absorbieren und verhindern, dass sie die Board-Komponenten beschädigt.

9. RTI und MOT maximieren

Relative Thermal Index (RTI) und Maximum Operating Temperature (MOT) sind zwei relevante Messgrößen, auf die Ingenieure im PCB-Design achten sollten.

RTI gibt die höchste Temperatur an, die ein Material ohne Eigenschaftsänderungen oder Leistungsminderung verträgt. MOT bezeichnet die höchste Temperatur, die eine bestimmte PCB-Konfiguration ohne Eigenschaftsänderungen oder Leistungsminderung aushält. Ingenieure sollten beide Messgrößen im PCB-Design berücksichtigen und Materialien und Schaltungskomponenten mit robuster Hitzebeständigkeit wählen, wie durch diese Metriken bestimmt.

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