Experten-PCB-Thermisches Design: Praktische Tipps für Wärmemanagement

Mit Leistungskomponenten in immer kleineren SMD-Gehäusen ist ein kohärenter Ansatz zur Bewältigung thermischer Dissipationsanforderungen im PCB-Design wichtig. Während exakte mathematische Analyse thermischer PCB-Eigenschaften komplex sein kann, lassen sich einfache Regeln anwenden, um thermische Leitfähigkeit des Designs zu verbessern. Letztlich ermöglicht richtige Wärmeableitungskontrolle zuverlässigere, wirtschaftlichere PCB-Designs. Folgt: Kurze Diskussion des Standard-Thermischen-Dissipationsmodells, dann allgemeine Regeln für thermische Dissipation in Designs.

Zuerst Terminologie definieren (wird im Folgenden verwendet). Nächstes Bild zeigt verschiedene Komponenten eines Power-IC für Thermomanagement. Wir besprechen Temperatur von Junction (Sperrschicht), Top (Gehäuseoberseite) und Case (Boden/Gehäuseunterseite) sowie deren thermische Widerstände zur Umgebung.

Mit diesen Begriffen: Kurzer Blick auf Standardmodell zur Simulation thermischer Dissipation eines Bauteils. Thermischer Widerstand wird typischerweise als Widerstandsnetzwerk modelliert. Standardmodell für Bauteil in folgender Abbildung:

In Abbildung: T_J = Sperrschichttemperatur (interner Arbeitsbereich), T_T = Gehäuseoberseite-Temperatur (typischerweise Kunststoffgehäuse), T_C = Case-Temperatur (hochthermisch-leitfähige Pads des Bauteils und angeschlossene PCB), T_A = Umgebungstemperatur. Ziel des Elektronikdesigners: geringstmöglichen thermischen Widerstand zwischen Junction und Umgebung erzeugen. Mit Ausnahme von θ_CA sind thermische Widerstände des Systems (θ_JT, θ_TA, θ_JC) durch Bauteileigenschaften definiert – aus Datenblatt entnehmbar. Als PCB-Designer haben wir hauptsächlich Einfluss auf θ_CA, das von unserem PCB-Design abhängt. Primäre Herausforderung: Thermischen Widerstand vom IC-Case zur Umgebung (θ_CA) durch Designreduktion senken. Wie gut wir θ_CA senken, definiert weitgehend Temperaturdifferenz (oder Fehlen derselben) zwischen Umgebung und Junction.

Hinweis: Anderer thermischer Pfad = Kunststoffgehäuse („Top“). Da Kunststoffverpackung der meisten Leistungskomponenten keinen guten thermischen Pfad zur Umgebung bietet, hängt Dissipationseffizienz stärker von Case-seitiger Wärmeableitung ab. Ausnahme: Power-IC mit Thermal-Pad auf Gehäuseoberseite – für direkten Kühlkörperanbau designed. Dann wird Top-seitige Dissipation viel wichtiger.

Standardansatz: Wärme von Power-Komponenten über thermische Vias an angrenzende Kupferflächen ableiten. Typisch: Mehrere Vias im Footprint des Power-IC. Diese Vias stellen thermische Verbindung zu Kupferlagen unter IC her, die Wärme vom Bauteil ableiten.

Zusätzlich: Je mehr Leistungskupferebenen über thermische Vias an Power-IC angebunden, desto höher Dissipationseffizienz. Beispiel: 4-Lagen- vs. 2-Lagen-Design → bis zu 30 % höhere Leistungsdissipationskapazität bei gleicher Fläche.

Folgende Designregeln als guter Ausgangspunkt für thermische Designüberlegungen:

1. Faustregel für 1 W Dissipation: Board benötigt 15,3 cm² (2,4 in²) pro Watt für 40 °C Board-Temperaturanstieg. Bei Luftstrom: Hälfte (7,7 cm² / 1,2 in² pro Watt). Annahmen: Bauteil thermisch an Kupferfläche gekoppelt, die bis Platinenrand reicht; Board so positioniert, dass Luft frei um beide Seiten strömt. Wenn Leistungsdichteanforderungen zu restriktiv: Externer Kühlkörper nötig. 40 °C Anstieg guter Startpunkt für Board-Temperaturkontrolle.
2. Mehrere Power-Komponenten: So platzieren, dass PCB gleichmäßig erwärmt wird. Große Temperaturdifferenzen über PCB-Länge verhindern optimale thermische Energieableitung. Falls verfügbar: Thermografie ermöglicht empirische Prüfung der Bauteilplatzierung nach Designrevision.
3. Mehr Vias unter Bauteil = bessere thermische Übertragung zur Kupferfläche. Vias als Array anordnen, um Anzahl an Kontakt mit Power-Pads (große thermisch leitfähige Pads) zu maximieren.
4. Höhere Wattzahlen → höhere Kupferdicken. 1 oz Kupfer als Startpunkt für Power-Designs empfohlen.
5. Kupferflächen (Copper Pour) zur thermischen Ableitung: Wichtig: Pour nicht durch quer zur thermischen Pfadrichtung laufende Leiterbahnen unterbrechen.
6. Kühlkörper nötig: Effektiver, wenn thermisch mit Case des Bauteils verbunden. Typisch: Kühlkörper auf gegenüberliegender Boardseite bei SMD-Bauteil anbringen. Direkt auf Bauteil-Oberseite (Top) platzieren verlockend, aber thermischer Widerstand des Kunststoffgehäuses macht Kühlkörper ineffektiv. Ausnahme: Gehäuse explizit für Top-seitigen Kühlkörperanbau designed.

Zusammenfassend: Thermische Performance eines Designs ist sehr wichtig bei Power-Komponenten. Die hier vorgestellten Designregeln früh im PCB-Designprozess anwenden → guter Start bei Temperaturkontrolle, vermeidet drastische Redesigns später.

Weiterführende Ressourcen
• Umfassendste Prinzipien thermischen Designs für PCBs
• Internes Thermisches Dissipationsdesign basierend auf thermischem Modell
• Tipps thermisches Design für FPGA-gesteuerte PCBs
• High-Power-PCB-Design in Hochtemperaturumgebung
• Metal Core PCB – Ideale Lösung für thermische Probleme in PCB/PCBA
• Vollumfänglicher PCB-Fertigungsservice PCBCart – Mehrere Mehrwert-Optionen
• Fortschrittlicher PCB-Bestückungsservice PCBCart – Ab 1 Stück