Optimierung der internen PCB-Wärmeableitung durch fortschrittliches Thermomodellieren

Schnelle Elektronikentwicklung → höhere Rechengeschwindigkeit, Frequenz, Integrität. Schrumpfende Bauvolumen → steigende volumetrische Leistungsdichte. Trend zu dünner, leichter, kleiner → höhere Wärmeentwicklung pro Volumeneinheit. Steigende Wärmestromdichte gefährdet Zuverlässigkeit. Nach der 10-Grad-Regel: +10 °C → Halbierung mancher Bauteilparameter. Studie: 55 % Elektronikausfälle durch Übertemperatur. Vernünftiges Komponentenlayout & PCB-Thermalmanagement sind daher Kernaufgaben.

Thermisches Design: System-, Board-, Package-Level. Board-Level = Kühlkörper, Stencil, PCB. Dieser Artikel stellt eine neue Methode vor: Wärme an Bauteilunterseite schnell nach außen leiten, Kühlfläche vergrößern – ohne PCB-Layout zu beeinflussen. Ziel: Bauteil- und Temperaturdifferenzsenkung. Vorteile vs. traditionelle Kühlung: multiple Kühlstrukturen, reduzierte PCB-Thermospannung, geringer Platzbedarf.

PCB-Wärmeableitung ist anisotrop (verschiedene Lagen: Top, Bottom, Routing → unterschiedliche Kupfergehalte, -dicken, Vias, Positionen). Mittels Thermosimulationssoftware, Bauteilgeometrie & thermischen Eigenschaften: vereinfachtes PCB- & Bauteilmodell, Variation von Kühlrippen-Länge, -Breite, -Anzahl, Auswertung via Simulationsdaten.

Thermische Analyseprinzipien

Basiert auf Wärmeübertragungstheorie: 3 Modi – Wärmeleitung, Konvektion, Strahlung. Wärmeleitung dominiert.

Fourier'sches Gesetz: Differentielle Schicht Dicke d in x-Richtung. Energiefluss pro Zeiteinheit ∝ Fläche A × Temperaturänderungsrate. Formel:

• Q (W): Energiefluss durch A pro Zeiteinheit (Wärmestrom)
• A (m²): Querschnittsfläche in Leitrichtung
• L (m): Leitpfadlänge
• k [W/(m·°C)]: Wärmeleitfähigkeit
• Δt (°C): Temperaturdifferenz
• x (m): Wärmestrompfad; Minuszeichen = entgegen Wärmerichtung & Temperaturanstieg

Wärmestromdichte q (W/m²): Wärmestrom pro Flächeneinheit & Zeiteinheit. Formel:

Materialabhängige k: hoher Wert = exzellente Leitfähigkeit.

PCB-Thermowiderstandstheorie

PCB = komplexer Mehrlagenaufbau → anisotrope Wärmeleitung. Unterschiedliche Materialstrukturen pro Lage → großes Gitter, langsame Berechnung. Vereinfachtes Modell via Thermosoftware (Abb. 1).

Annahme: Kupfer- & FR-4-Lagen gleich dick, gleicher Abstand. k_n (normale Wärmeleitfähigkeit) & k_p (lagenweise Wärmeleitfähigkeit) beschreiben PCB-Thermoverhalten. Berechnungsformeln:

• δ_Cu: Kupferlagendicke
• k_Cu = 388 W/(m·°C)
• k_j: Wärmeleitfähigkeit Kupferrouting Lage j
• δ_F: FR-4-Lagendicke
• k_F = 0,35 W/(m·°C)
• δ_PCB: Gesamtdicke
• A_j: Kupferrouting-Fläche Lage j

PCB-Thermowiderstand im vereinfachten Modell (Abb. 2).

Temperaturen Top/Bottom: t₁, t₂; Gesamtwärmestrom Q; Gesamtwiderstand R; Schichtwiderstände vertikal R₁,R₂,R₃ (Längen L₁,L₂,L₃), horizontal R₁,R₂,R₃ (Flächen A₁,A₂,A₃); Platinenfläche A.

Vertikal (Reihenschaltung): R₁ = L₁/(A·k₁) etc.
Horizontal (Parallelschaltung): R₁ = L/(A₁·k₁) etc., 1/R = Σ 1/R_i.
Gesamtwiderstand vertikal/horizontal via Reihen-/Parallelschaltung → Q = (t₁-t₂)/R.

Ergebnis: Horizontaler Gesamtwiderstand ≪ vertikaler. → Horizontal eingebettetes Kupfer = bessere Kühlung. Analyseobjekt: 2-Lagen-PCB mit eingebettetem Kupfer (Abb. 3).

Simulationsanalyse & Verifikation

PCB-Modelldesign

Parameter	Wert
PCB	100×100 mm
Chip	10×10 mm
Bauteilgehäuse	20×20 mm
Chipleistungsverlust	8 W

Bauteil mittig, Wärmequelle mit eingebettetem Kupfer darunter. Kupfer-Kühlrippen benachbart zu Kupfer. Simulationsmodell: 0,5×30 mm (Abb. 4).

Stromkreis 2 A → Leiterbahnbreite ≥ 0,5 mm, Via ≥ 0,5 mm. Kühlrippenabstand ≥ 1 mm. Rippenbreiten: 0,13; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0 mm. Längen: 20; 30; 40 mm. Bei 10 mm Breite & <1 mm Abstand: Rippenanzahl pro Breite (Tab. 2).

Ergebnisanalyse

Tab. 2: Rippenbreite & -länge beeinflussen Bauteiltemperatur stark. Praktisch: passende Länge/Breite unter Kosten-/Praxisgesichtspunkten wählen. Abb. 5: Höchsttemperatur, Abb. 6: Tiefsttemperatur.

Tendenzen:

• Rippenbreite < 0,5 mm: starke Temperatursenkung mit zunehmender Breite. ≥ 0,5 mm: Sättigung. Optimum: 0,5 mm (größte ΔT bei minimalem Materialkosten).
• Länge 20→30 mm: ΔT > 5 °C. 30→40 mm: ΔT ≈ 2 °C. Optimum: 30 mm (gute ΔT bei geringem Kosten).
• Empfehlung: Rippenbreite 0,5 mm, Länge 30 mm.

Abb. 7: Temperaturverteilung ohne eingebettetes Kupfer. Abb. 8: mit Rippen (30 mm, 0,5 mm).

Vergleich: Höchsttemperatur 108,4 → 88,6 °C (−18,5 %). Tiefsttemperatur 98,3 → 83,2 °C (−15,3 %). Temperaturfeld gleichmäßiger, Hotspots vermieden. Eingebettetes Kupfer senkt Bauteiltemperatur → bessere Thermableitung → höhere Bauteilzuverlässigkeit.

Weiterführende Ressourcen:
• Umfassende Thermodesign-Prinzipien für PCBs
• Thermodesign-Tipps für FPGA-gesteuerte PCBs
• High-Power-PCB-Design in Hochtemperaturumgebung
• Metal-Core-PCB: Ideale Lösung für Thermoprobleme
• Full-Feature PCB-Fertigung von PCBCart
• Advanced PCB Assembly von PCBCart – ab 1 Stück