In modernen elektronischen Systemen und insbesondere in Leistungsanwendungen, sind zwei wichtige Aspekte stets zu beachten: der Wirkungsgrad und das Wärmemanagement. Der Wirkungsgrad bestimmt, welcher Anteil der Energie tatsächlich verlustfrei übertragen wird. Mit dem Wärmemanagement soll sichergestellt werden, dass die Komponenten eines Systems ordnungsgemäß funktionieren, indem sie auf einem akzeptablen Temperaturniveau gehalten werden. Grundsätzlich bezieht sich das Wärmemanagement auf die Verfahren, mit denen überschüssige Wärme von einem Ort zum anderen übertragen wird. Bei den herkömmlichen Verfahren wurde dies durch das Anbringen eines externen Kühlkörpers über der Komponente erreicht, die überschüssige Wärme erzeugt. Was aber, wenn die Leiterplatte selbst die Wärme erzeugt? Oder wie geht man vor, wenn aus mechanischen Gründen kein Kühlkörper auf der Komponente angebracht werden kann?

Wenn der Strom nicht widerstandsfrei übertragen wird, erzeugt er thermische Energie, die abgeführt werden muss, um die Temperatur der Bausteine nicht zu erhöhen. Wenn dies nicht in ausreichendem Maße geschieht, kann es zu einer Beschädigung der Komponenten bzw. zu einer Verkürzung ihrer Lebensdauer führen.

Bei elektronischen Geräten und Leiterplatten muss die überschüssige Wärme vom Baustein weggeführt werden. Dazu wird die Wärme direkt auf der Leiterplatte oder quer über die Leiterplatte von Seite zu Seite abgeleitet. Manchmal geschieht dies in Kombination mit aktiven Lösungen wie der Belüftung über einen externen Kühlkörper oder mit Flüssigkeitskühlung.

Jeffrey Beauchamp, Technical/Engineering Manager NCAB Group USA

Innovationen erhöhen den Bedarf an Wärmemanagement-Lösungen

In den letzten Jahren haben wir einen stetig wachsenden Bedarf an Wärmemanagement-Lösungen in elektronischen Systemen festgestellt. Jeffrey Beauchamp, technischer Leiter bei der NCAB Group USA, und Mario Cianfriglia, Field Application Engineer bei der NCAB Group Italien, erläutern, wie dieser Bedarf durch technische Innovationen in der Branche vorangetrieben wurde.

„Einer der wichtigsten Trends bei der Fertigung von Elektronikprodukten ist derzeit die Miniaturisierung, mit immer kleineren Produkten und Bausteinen sowie kompakteren Leiterplatten. Das macht es zunehmend schwieriger, herkömmliche Lösungen wie Kühlkörper einzusetzen, weil sie zu viel Platz einnehmen. Man muss also kreativ sein und neue Ansätze entwickeln, um die überschüssige Wärme abzuführen oder umzuleiten“, erklärt Jeffrey Beauchamp.

Ein weiterer neuer Faktor, mit dem Designer konfrontiert sind, ist der Umgang mit den höheren Temperaturen, die durch neuartige Komponenten entstehen. Denn diese übernehmen mehr Funktionen und führen Rechenoperationen in höherer Geschwindigkeit aus. Je höher die Rechengeschwindigkeit, desto heißer werden die Komponenten.

„Leiterplatten müssen miniaturisiert werden, um immer kleinere und schnellere elektronische Komponenten aufzunehmen, die auf immer kleinerer Fläche miteinander verbunden sind. Auf diese Weise können BGA-Komponenten der neuesten Generation im 0,4-mm-Raster oder in noch kleineren Formaten für Digital- und Leistungssignale untergebracht werden“, meint Mario Cianfriglia.

Mario Cianfriglia, Field Application Engineer NCAB Group Italy

Das Wärmemanagement von Anwendungen – eine anspruchsvolle Aufgabe

Mario Cianfriglia betont außerdem, dass die Designer vor neuen Herausforderungen stehen, da die Elektronik in immer mehr Anwendungen integriert wird.

„In manchen Fällen ist das Wärmemanagement extrem anspruchsvoll, z. B. im Energiesektor, bei industriellen Anwendungen oder in der Automobiltechnik – hier vor allem bei Elektrofahrzeugen. Das Gleiche gilt für komplexere Anwendungen z.B. in der Telekommunikation oder bei Radarsystemen“, so Mario Cianfriglia.

Mit der fortschreitenden Einführung von 5G, der fünften Generation mobiler Kommunikationstechnik, werden Elektronikprodukte immer mehr Komponenten enthalten, die mit noch höheren Geschwindigkeiten arbeiten und mehr überschüssige Wärme erzeugen. Gleichzeitig spielt die Signalintegrität in 5G-Anwendungen eine wesentliche Rolle.

„Hier stößt die Technologie an ihre letzten Grenzen, wobei die Signalintegrität entscheidend ist. Leiterplatten können derzeit 3- bis 5-GHz-Signale verarbeiten. Doch bei vollem Funktionsumfang von 5G müssen sie mit Signalen von 25 GHz und höher umgehen können. Um dabei die Signalintegrität in allen Betriebszuständen zu gewährleisten, ist das richtige Wärmemanagement von wesentlicher Bedeutung. Für Leiterplatten mit Hochfrequenzsignalen muss ein Design mit geeignetem Lagenaufbau, mit speziellen Rohmaterialien, Leiterbahnführungen, Masse-, Leistungs- und Signallagen entworfen werden”, so Mario Cianfriglia.

„Wir sehen gerade eine steigende Nachfrage beim Wärmemanagement, und sie wird wahrscheinlich noch weiter zunehmen. Hoffentlich kommen damit auch neue, fortschrittlichere Methoden zur Bewältigung der thermischen Herausforderungen“, meint Jeffrey Beauchamp.

In manchen Fällen kann das Wärmemanagement extrem anspruchsvoll sein. So beispielsweise im Energiesektor, bei industriellen Anwendungen oder der Automobilindustrie; insbesondere bei Elektrofahrzeugen, sagt Mario Cianfriglia.

Analyseprogramme zur Problemvermeidung

Bei der Produktentwicklung werden verschiedene Techniken eingesetzt, um mögliche Probleme im Zusammenhang mit der Wärmeentstehung zu erkennen. Für präventive Analysen sind spezielle Softwarepakete entwickelt worden. Denn beim Design von Leiterplatten ist es wichtig, dass bereits in der Designphase alles richtig dimensioniert wird. Hier muss man die Anforderungen der Komponenten kennen, die Leiterbahnbreiten und Abstände entsprechend ihrer Funktion – Signalgeschwindigkeit und Leistung – und die geeignete Dicke von Kupfer und Basismaterial auswählen.

Es stehen auch Werkzeuge für die thermische Analyse zur Verfügung. Viele Softwarepakete werden für präventive Analysen verwendet, mit denen alles in der Designphase dimensioniert werden kann. Dazu ist es notwendig, die Anforderungen der Komponenten zu kennen, Leiterbahnen und Abstände entsprechend ihrer Funktion in Bezug auf Signalgeschwindigkeit und Leistung zu dimensionieren, und das richtige Kupfergewicht bzw. die richtige Kupferdicke und das Laminat-Rohmaterial auszuwählen.

Bei einfachen Leiterplatten mit ausschließlichen Leistungsfunktionen sind Sichtprüfungen sinnvoll, um sichtbare Anzeichen von Schäden zu erkennen. Erhitzung zersetzt das Basislaminat im Laufe der Zeit und führt zur Karbonisierung der Harze, so dass in der ersten Phase eine Bräunung des Bereichs, in dem sich die Wärmeenergie entwickelt, zu beobachten ist.

Es ist zwar möglich, die Funktion eines Bausteins auf der bestückten Leiterplatte zu simulieren und mit Infrarotkameras zu überprüfen, wo die Temperatur das zulässige Maß übersteigt. Doch in dieser Phase ist bereits ein Punkt erreicht, an dem es kein Zurück mehr gibt, denn das Produkt ist bereits festgelegt. Eine solche Prüfung kann in dieser Phase nur noch dazu dienen, Anomalien zu erkennen.“

Wir plädieren deshalb immer dafür, schon in der ersten Phase des Projekts einbezogen zu werden, damit der Designer die Möglichkeit hat, auf die Vorschläge des Leiterplattenlieferanten zu reagieren und ein optimales Design abzuliefern”, sagt Mario Cianfriglia.
 

Folgende Aspekte erhöhen den Bedarf an Wärmemanagement

  • Miniaturisierung mit kleineren und einer größeren Anzahl von Komponenten auf kompakteren Leiterplatten
  • Elektronik wird in immer mehr Anwendungen integriert.
  • Die Komponenten werden schneller und erzeugen dadurch mehr Wärme.
  • Neue Technologien führen zu höheren Signalfrequenzen und mehr Leistung, was mehr Wärme erzeugt.
  • Die Signalintegrität wird mit 5G immer wichtiger, was die Disposition für Wärmemanagement erhöht.