Design von High-Power-PCBs für Hochtemperaturumgebungen

Multilayer-PCBs sind die gängigste Komponenten-Integrationsplattform. Trend zu leicht, dünn, klein, hochperformant → ICs hochintegriert → hohe PCB-Integrität → stark gesteigerte Wärmeentwicklung & thermische Dichte. Besonders durch Massenutzung hochfrequenter ICs (A/D, D/A) und steigende Taktraten. Unzureichende Wärmeabfuhr → drastisch reduzierte Zuverlässigkeit. Statistik: 55 % Elektronikausfälle durch Temperatur (Top-Ursache). +10 °C Umgebungs-temperatur → Ausfallrate mancher Bauteile verdoppelt. In Luft-/Raumfahrt: thermisches Fehl-Design = Systemtotalausfall. Thermisches Design im PCB-Prozess ist daher kritisch.

Ursachenanalyse: Direkte Ursache = leistungsverbrauchende Bauteile. Jedes Bauteil hat spezifischen Verlust → thermische Belastung. 2 Temperaturanstiegsarten: lokal/flächig, kurz-/langfristig. 3 Wärmeübertragungswege: Leitung, Konvektion, Strahlung. Strahlung (EM-Wellen) = geringer Anteil → unterstützend. Dieser Artikel: Lösung für langfristigen Betrieb in Hochtemperaturumgebung via Wärmeleitung & Wärmespeicher-Technologie (Transient Heat Storage) – Beispiel: Servo-PCB.

Ausgangssituation: Servo-PCB

Bestückung: 2× Leistungsverstärker (je 2 W), 2× R/D-Wandler, 2× CPU, 1× EPLD, 1× A/D-Wandler. Gesamtleistung: 9 W. Einbau in luftdichtes Gehäuse (begrenzte Konvektion). Platzmangel → keine Kaltplatte möglich. Nur Wärmeleitung + Wärmespeicher zur Wärmeabfuhr an Gehäusekörper.

Metallkern-PCB (Standardansatz)

Metallkern (Alu, Cu, Stahl) zwischen Multilayer-PCB einbetten. Wärme direkt über Metallkern oder über angebundene Kühleinheit abführen. Struktur: Abb. 1.

Metallkern kann als Ground-Lage dienen. Ober-/Unterseite via PTH mit Metallkern verbunden → Wärmeübertragung auf Innenschicht & Oberfläche. Heizelemente direkt auf Bottom-Seite verlötet (über Thermovias) → Wärme direkt in Metallkern → über Thermovias an anliegenden Chassis → Abstrahlung.

Probleme: Metallkern-PCBs dick → Verformung bei ungleichmäßiger Kühlung → loser Chip-Kontakt. Schnelle Wärmeableitung → Chip-Wechsel schwierig (lokale Wärmeanziehung → starke Verformung). Größere Platinen → leichtere Verformung.

Upgraded Metallkern-PCB-Design

1. 4 Kupferfolien (0,15 mm) in PCB einpressen → Dicke +3 mm → weniger Verformung, höhere Via-Zuverlässigkeit.
2. 2-W-Chips: SMT-Pad auf Chip-Unterseite → Wärme in PCB-Metallschicht leiten.
3. Chip-Bottom: Großflächige Kupferfolie + Thermovias → Wärme in interne Kupferlagen.
4. Isolierschicht beidseitig an PCB-Kante abfräsen → PCB-Kanten-Metallisierung. Wärmeableitung über direkten Kontakt Blankkante ↔ Basis. 36 Schrauben → erhöhter Wärmeübergang PCB ↔ Gehäuse.

Upgraded Design: Abb. 2.

Simulationsmodellierung & Analyse (FLoTHERM)

Randbedingungen: Umgebung 65 °C, Betriebszeit 90 min. Alle Bauteile erfüllen X-Derating. Zulässige Gehäusetemperaturen (X-Derating):

Hauptleistungsbauteile: 2 Chips (49,76×41,4 mm), je 2 W. Übrige Bauteile: 5 W gesamt. PCB gesamt: 9 W. Servo-Antrieb: 10 W, Netzteil: 40 W, Servo+Netzteil gesamt: 59 W.

Temperaturverlauf Servo-Control-Chip (Abb. 3):

Ergebnisse 90 min @ 65 °C:

• 0–30 min: schneller Anstieg > 72 °C
• 30–50 min: allmähliche Stabilisierung
• 90 min: 2-W-Chip (Grenze 87 °C) → 77,9 °C; 0,6-W-Chip (87 °C) → 84 °C; 0,5-W-Chip (87 °C) → 78,2 °C; 0,5-W-Chip (85 °C) → 77 °C

Alle Chips im zulässigen Bereich. Theorie: kein Spalt Chip-PCB. Praxis: evtl. Spalt → Silikongel füllen für sichere Wärmeübertragung.

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