PCB-Thermisches Design meistern: Wesentliche Prinzipien für Zuverlässigkeit

Schätzungen zufolge fallen über die Hälfte aller elektronischen Bauteile durch thermisch bedingte Hochspannung aus. In jüngster Zeit haben großflächige und hochintegrierte Schaltungen (ICs) sowie Oberflächenmontagetechnik (SMT) Einzug gehalten; elektronische Produkte entwickeln sich Richtung Miniaturisierung, hohe Dichte und hohe Zuverlässigkeit. Entsprechend steigen die thermischen Anforderungen an elektronische Systeme. Seit es elektronische Produkte gibt, spielt Thermomanagement eine kritische Rolle für Leistung und Funktion elektronischer Systeme.

Als Rückgrat elektronischer Geräte sichert ein rationelles PCB-Design (Printed Circuit Board) hohe Leistung. Fehlt das thermische Design teilweise oder ganz, drohen Beschädigung oder Ausfall. Steigende Integrationsdichte von Schaltungsmodulen und massiver Einsatz von ICs und Multi-Chip-Modulen (MCM) erhöhen die Bauteiledichte und damit die Wärmestromdichte auf PCBs. Hochwertige PCBs resultieren nicht nur aus präzisem Layout und Routing, sondern auch aus hoher thermischer Zuverlässigkeit für sicheren Betrieb. Daher ist die Implementierung umfassender thermischer Dissipationsregeln und -analysen auf PCBs von großer Bedeutung. Dieser Artikel beginnt mit grundlegenden thermischen Designprinzipien und stellt ingenieurfreundliche thermische Designregeln für die praktische Anwendung vor.

Grundprinzipien des thermischen Designs

Thermisches Design basiert auf Wärmeübertragungstheorie und Fluidmechanik. Wo ein Temperaturunterschied besteht, fließt Wärme von der heißen zur kalten Zone. Wärmeübertragung erfolgt durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung.

Die Wärmeübertragungsformel: Φ = K·A·Δt, wobei Φ = Wärmestrom (W), K = Wärmeübergangskoeffizient (W/(m²·K)), A = Wärmeübertragungsfläche (m²), Δt = Temperaturdifferenz zwischen heißem und kaltem Fluid (K).

Thermisches PCB-Design ist der Prozess, bei dem der thermische Widerstand von der Wärmequelle zum Wärmesenke durch Kühlmaßnahmen minimiert wird oder die Wärmestromdichte in einem akzeptablen Bereich gehalten wird. Für Zuverlässigkeit müssen folgende Maßnahmen ergriffen werden:

• Natürliche Kühlung – Wärmeleitung, Wärmestrahlung, natürliche Konvektion ohne externe Energie.
• Zwangsbelüftung – Kühlluft wird durch Ventilatoren oder Ram-Air durch das Gerät geleitet, Wärme von Quelle zum Kühlkörper transportiert.
• Flüssigkeitskühlung – zwei Methoden:
  1) Direkte Flüssigkeitskühlung: Bauteile direkt in Kühlflüssigkeit tauchen.
  2) Indirekte Flüssigkeitskühlung: Kein direkter Kontakt; Kühlung über Wärmetauscher oder Kaltplatte.
• Verdunstungskühlung – derzeit effektivste Wärmeleitungsmethode; Wärmeübertragung durch Sieden des Kühlmediums.
• Weitere Kühlmaßnahmen: Heatpipes, Kaltplatten, thermoelektrische Kühlung.

Im Thermomanagement können je nach Praxisbedingungen (Betriebsumgebung: Temperatur, Feuchte, Druck, Staub; Wärmestromdichte auf Platine, Leistungsvolumendichte, Gesamtleistungsaufnahme, Oberfläche, Volumen, Kühlkörper, Sonderbedingungen) geeignete Maßnahmen gewählt werden, um gleichmäßige Temperaturverteilung und zulässigen Temperaturanstieg zu gewährleisten.

Thermische Designregeln

Ziel: Temperatur aller auf Leiterplatten bestückten Bauteile in elektronischen Produkten kontrollieren, elektrische Leistungsstabilität sichern, Temperaturschub elektrischer Parameter vermeiden/verringern, Grundausfallrate der Bauteile senken, Betriebstemperatur nicht über maximal zulässigen Wert steigen lassen. Dieser Artikel beschreibt PCB-thermische Designregeln in drei Perspektiven: Bauteileinsatz, PCB-thermisches Design, Bauteilmontage und PCB-Layout.

a. Einsatz elektronischer Bauteile

1) Wie Arbeitstemperatur der Bauteile kontrollieren?

Temperatur ist der primäre Faktor für Bauteilleistung und Ausfallrate. Höchstzulässige Arbeitstemperatur und Leistungsaufnahme sollten gemäß geforderter Zuverlässigkeitsstufe und verteilter Ausfallrate je Bauteil festgelegt werden. Tabelle 1 zeigt maximal zulässige Oberflächentemperaturen aus Zuverlässigkeitssicht.

Bauteil	Max. Oberflächentemp./°C	Bauteil	Max. Oberflächentemp./°C
Transformator, Drossel	95	Keramikkondensator	80–85
Metallschichtwiderstand	100	Glas-Keramik-Kondensator	200
Kohleschichtwiderstand	120	Silizium-Transistor	150–200
Palladium-Schichtwiderstand	200	Germanium-Transistor	70–90
Gepresster Drahtwiderstand	150	Röhre	15–200
Aufgedruckter Widerstand	85	CMOS vollverguss Flachgehäuse	125
Lackierter Drahtwiderstand	225	Keramik DIP, schwarzes Porzellan DIP	/
Papierkondensator	75–85	CMOS Kunststoff DIP	85
Folienkondensator	60–130	TTL Small-Scale IC	25–125
Glimmerkondensator	70–120	TTL Medium-Scale IC	70–85

2) Wie Sperrschichttemperatur (Junction Temperature) kontrollieren?

Sperrschichttemperatur hängt von Eigenleistungsaufnahme, thermischem Widerstand und Umgebungstemperatur ab. Maßnahmen zur Einhaltung zulässiger Bereiche:

• Bauteile mit geringem internem thermischem Widerstand wählen.
• Derating nutzen, um Temperaturanstieg zu reduzieren.
• Schaltungen, besonders mit Leistungskomponenten, benötigen sorgfältiges thermisches Design gemäß Normenhandbüchern.

3) Wie Derating beim Bauteileinsatz gestalten?

Je nach Bedarf kann Derating angewendet werden, um Bauteile unterhalb Nennparameter (Leistung, Spannung, Strom) zu betreiben – Temperaturanstieg und Ausfallrate sinken drastisch.

b. Thermische Designregeln für PCBs

Senkrechte PCB-Montage begünstigt Wärmeabfuhr; Platinenabstand ≥20 mm. Board-Designregeln:

1. Substratmaterial mit hoher Temperaturbeständigkeit und hohem Leitwert wählen. Bei hochleistungsdichten Schaltungen: Aluminium- oder Keramiksubstrat wegen geringem thermischem Widerstand (PCBCart fertigt solche PCBs – Dateien und Menge einreichen für Angebot).
2. Multilayer-Aufbau ist optimal für PCB-Wärmeableitung.
3. Zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit: wärmeableitende Boards nutzen. Metal-Core-Boards in Multilayer-PCBs für exzellente Wärmeableitung zwischen Board, Trägern und Kühlbauteilen. Schutzlack und Vergussmaterial können thermische Übertragung zu Trägern/Kühlkörpern beschleunigen.

4. Sammelschiene (Busbar) als exzellenter Strahler erhöht Wärmeableitung und Störfestigkeit.
5. Metallfolienstärke erhöhen, Innenleiter mit großflächiger Metallfolie, Masseleitungen breiter ausführen – große Masseflächen verbessern Störfestigkeit und Wärmeableitung.

c. Bauteilmontage und PCB-Layout

Bauteil-Layout ist essenziell für thermische PCB-Leistung, besonders bei senkrechter Platzierung. Montagerichtung sollte Kühlmittelströmung folgen, um geringsten Strömungswiderstand zu bieten. Regeln:

1. Bei freier Konvektion: ICs/Bauteile längs anordnen (Abb. 2). Bei Zwangsbelüftung: ICs/Bauteile quer anordnen (Abb. 3).



2. Bauteile auf derselben PCB nach Wärmeentwicklung und -widerstand klassifizieren. Geringe Wärmeentwicklung/Widerstand (Kleinsignaltransistor, Small-Scale IC, Elektrolytkondensator) stromaufwärts (Eintritt); hohe Wärmeentwicklung/Widerstand (Hochfrequenztransistor, High-Scale IC) stromabwärts. Um Kleinsignalverstärker: Bauteile mit geringem Temperaturschub; Flüssigmedien-Kondensatoren fern von Wärmequellen.
3. Horizontal: Hochfrequenzbauteile nahe Platinenrand für minimalen Wärmepfad. Vertikal: Hochfrequenzbauteile nahe oberem Platinenbereich, um Einfluss auf andere Bauteile zu minimieren.
4. Temperatursensible Bauteile in kältesten Bereich (z. B. Geräteboden). Nicht direkt über wärmeerzeugende Bauteile platzieren; fernhalten oder isolieren.
5. Bauteile mit höchster Leistungsaufnahme/Wärmeentwicklung nahe bestem Kühlplatz. Nie in Ecken/Kanten ohne Kühlkörper. Bei Leistungswiderständen: größere Bauteile wählen, ausreichend Kühlraum im Layout lassen.
6. Leistung gleichmäßig auf PCB verteilen für Balance; Hotspots vermeiden, die Gesamtbetrieb stören.
7. Luftströmungspfad im PCB-Design voll berücksichtigen; Bauteile vernünftig anordnen. Luft strömt zum geringsten Widerstand – große Luftlücken zwischen Bauteilen vermeiden.
8. Thermische Montagetechnik anwenden für gute Wärmeübertragung. >50 % der Wärme von ICs/Mikroprozessoren geht über Anschlüsse in PCB – Montagebohrungen sollten metallisiert sein. Direkte Montage auf Wärmeleitstab/-platine reduziert thermischen Widerstand.
9. Thermischen Widerstand zwischen hochwärmeableitenden Bauteilen und PCB minimieren. Wärmeleitmaterial unter Chip nutzen; Wärmeableitung im Kontaktbereich sicherstellen.
10. Bauteilanschlüsse in PCB-Verbindung verkürzen. Bei Hochleistungskomponenten: Leitermaterial-Leitfähigkeit prüfen. Wenn möglich: Bauteile mit größerem Leiterquerschnitt und mehr Pins wählen.

d. Weitere Anforderungen

1. Bauteilgehäuse: Gehäusetyp und Wärmeleitrate im thermischen PCB-Design berücksichtigen. Wärmeleitpfad zwischen Substrat und Gehäuse schaffen; Luftspalten im Wärmepfad vermeiden.
2. Fertigungstechnik: Lokale Hotspots bei beidseitiger Bestückung. Feines Kupfer in Lötpaste geben, damit Lötpunkte unter Bauteilen erhöht sind – vergrößert Luftspalt, verbessert thermische Konvektion.
3. Wärmeableitungsbohrungen: Blinde und durchgehende Bohrungen auf PCB anordnen, um Wärmeableitungsfläche zu vergrößern, thermischen Widerstand zu senken und Leistungsdichte zu erhöhen.

Thermische Analyse

Basierend auf computergestützter Wärmeübertragung; numerische Methoden: Finite-Differenzen, Finite-Elemente, Randelemente. Prozess: Modulvereinfachung, mathematische Modellierung, Nichtlineare Gleichungslösung, Verfahrenserstellung/Anpassung, Berechnung, Messung/Test thermischer Parameter.

Als fundamentaler Aspekt des thermischen Designs ist thermische Analyse wichtige Bewertungsmethode. PCB-Thermanalyse: Thermisches Modell der Bauteile erstellen, Simulationsparameter gemäß PCB-Struktur/Material, Bauteilgehäuse, Betriebsumgebung festlegen, thermisches Verhalten abschätzen. Analyse muss in Konzeptphase vor Layout und durchgängig im gesamten Designprozess erfolgen.

Ergebnisse: Bauteiltemperatur, Platinen-Temperatur, Luftströmungstemperatur – visualisiert als Farbbilder, Isothermen-Grafiken oder spezifische Daten.

Basierend auf Analyseergebnissen: Thermische PCB-Probleme schnell erkennen, rechtzeitig Maßnahmen ergreifen, Hotspots eliminieren, Wärmeleitpfade bestimmen, Positionen kritischer Bauteile, Kühlkörperform/-größe optimieren, Wärmeübertragungseffizienz von Bohrungen/Kühlkörpern steigern, Platinen- und Bauteilabstände festlegen.

PCBCart: Erfahrung in PCBs mit erweiterten Features

Seit 2005 fertigt PCBCart Leiterplatten für Kunden aus 80+ Ländern. Unsere PCBs finden in nahezu allen Branchen Anwendung. Kontaktieren Sie uns für Ihr individuelles PCB-Projekt.

Weiterführende Ressourcen
• PCB-Thermisches Design: Überlegungen
• Internes Thermisches Dissipationsdesign basierend auf thermischem Modell
• Metal Core PCB – Ideale Lösung für thermische Probleme in PCB/PCBA
• PCB-Hersteller oder -Bestücker bewerten
• Vollumfänglicher PCB-Fertigungsservice von PCBCart
• Fortschrittlicher PCB-Bestückungsservice von PCBCart