Thermal Management für EMS Einkäufer: Was ist wichtig?
Good to know für den EMS Einkäufer:
Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt, wie gut ein Material Wärme von einer warmen zu einer kälteren Stelle transportiert. Kupfer erreicht ungefähr 400 Watt pro Meter und Kelvin. Klassisches FR4 Material liegt dagegen nur bei etwa 0,3 bis 0,4 Watt pro Meter und Kelvin. Bei gleicher Fläche, gleicher Materialstärke und gleichem Temperaturunterschied kann Kupfer daher rund 1000 Mal mehr Wärme transportieren als FR4.
Konkret bedeutet das:
- Watt bezeichnet die transportierte Wärmeleistung.
- Meter berücksichtigt die Länge des Wärmewegs.
- Kelvin beschreibt den Temperaturunterschied.
Ein Unterschied von einem Kelvin entspricht dabei einem Temperaturunterschied von einem Grad Celsius. Diese Angabe zeigt jedoch noch nicht, wie gut die komplette Baugruppe Wärme abführt. Dafür spielen auch die Kupferfläche, die Kupferstärke, der Lagenaufbau, die thermischen Vias sowie das Gehäuse eine wichtige Rolle.
FR4 sorgt vor allem für elektrische Isolation und mechanische Stabilität. Das Material leitet Wärme jedoch nur langsam. Kupferflächen verteilen dagegen die Wärme seitlich über die Leiterplatte. Thermische Vias führen sie zusätzlich zu inneren Kupferlagen oder auf die Rückseite.
Wenn ein leistungsstarkes Bauteil seine Wärme an eine ausreichend große Kupferfläche abgeben kann, dann sinkt seine lokale Temperatur. Das funktioniert jedoch nur, wenn alle Wärmewege zusammenpassen. Der Einkauf sollte daher nicht allein die Materialpreise vergleichen, sondern auch den vollständigen Leiterplattenaufbau betrachten.
Thermal Management für EMS Einkäufer: Das ist wichtig für den Projekterfolg
Thermische Anforderungen beeinflussen Bauteile, Leiterplatten, Gehäuse und Fertigungsprozesse. Der Einkauf entscheidet daher nicht nur über Preise und Lieferzeiten. Er sichert außerdem die Verfügbarkeit geeigneter Materialien und Fertigungstechnologien.
Eine frühe Abstimmung schafft technische Klarheit und belastbare Kosten. Einkauf, Entwicklung und Fertigung können Standardtechnologien bevorzugen, wobei sie kritische Temperaturen dennoch sicher beherrschen. Damit sinkt das Risiko für zusätzliche Prototypen, späte Layoutänderungen und verzögerte Serienanläufe.
Was bedeutet Thermal Management von Leiterplatten konkret und warum betrifft es den Einkauf?
Thermal Management umfasst alle Maßnahmen, die Wärme aufnehmen, verteilen und aus der Baugruppe ableiten. Der Einkauf beeinflusst diese Maßnahmen durch die Auswahl von Leiterplattenmaterialien, Kupferstärken, Bauteilen, Fertigungsverfahren und Lieferanten. Deshalb wirken thermische Entscheidungen direkt auf Beschaffungskosten, Lieferfähigkeit und Serienrisiken.
IPC 2152 unterstützt die Auslegung der Stromtragfähigkeit von Leiterbahnen und berücksichtigt unter anderem Temperaturanstieg, Kupferflächen, Vias, Verlustleistung sowie Leiterplattenmaterial und Materialstärke. IPC 2221 liefert allgemeine Grundlagen für das Leiterplattendesign. IPC 4101 beschreibt dagegen Anforderungen an Basismaterialien für starre Leiterplatten und Multilayer. Die JESD51 Reihe ergänzt diese Grundlagen durch thermische Messmethoden und Kennwerte für Halbleiter. IPC 2152 und IPC Design Standards
Normen liefern jedoch kein fertiges Kühlkonzept für jede Baugruppe. Das Projektteam muss die konkrete Anwendung, die Verlustleistung, die Umgebungstemperatur und die Einbausituation bewerten. Auch Bauteildatenblätter geben zulässige Temperaturen und thermische Kennwerte vor.
Das sind die Kernaspekte von Thermal Management für Leiterplatten
- Wärmequellen: Prozessoren, Leistungshalbleiter, Spannungsregler und hohe Ströme erzeugen Verlustleistung. Das Projektteam muss diese Wärmequellen früh erkennen und bewerten.
- Kupferaufbau: Kupferflächen, Kupferstärken und Innenlagen verteilen Wärme. Größere Flächen helfen häufig, benötigen jedoch Platz und beeinflussen den PCB Stackup.
- Thermische Vias: Vias schaffen vertikale Wärmewege zwischen den Kupferlagen. Ihre Anzahl, Position, Bohrung und Ausführung beeinflussen jedoch die Fertigungskosten.
- Material und Gehäuse: FR4, wärmeleitfähige Materialien, Kühlkörper und Wärmeleitpads bilden gemeinsam den Wärmeweg. Der Einkauf muss deshalb die gesamte Materialkombination berücksichtigen.
- Messung und Absicherung: Thermoelemente erfassen einzelne Messpunkte, während Wärmebildkameras Temperaturverteilungen und Hotspots zeigen. Messungen unter realistischer Last bestätigen das Konzept.
Wo liegen die Risiken, wenn Thermal Management nicht im Dialog mit Einkauf und Fertigung erfolgt?
Eine technisch wirksame Lösung kann hohe Kosten verursachen, wenn der ausgewählte Lieferant sie nur mit Sonderprozessen fertigen kann. Gefüllte und verschlossene Vias, dickere Kupferlagen oder spezielle Basismaterialien erhöhen beispielsweise den Aufwand. Zudem können lange Beschaffungszeiten entstehen, weil nur wenige Hersteller den geplanten Aufbau sicher beherrschen.
Fehlt der Austausch mit der Fertigung, können thermische Vias im Bauteilpad zu Problemen beim Lötprozess führen. Offene Via Bohrungen können Lot aufnehmen, wodurch zu wenig Lot an der vorgesehenen Lötstelle verbleibt. Eine geeignete Ausführung der Vias reduziert dieses Risiko, beeinflusst jedoch den Preis und die Lieferantenauswahl.
In der Praxis führt dies bei Prototypen, Erstserien und Serien zu folgenden Auswirkungen
Ein Prototyp kann seine Funktion zunächst erfüllen, obwohl einzelne Bauteile unter Dauerlast zu hohe Temperaturen erreichen. In der Erstserie treten dagegen andere Umgebungsbedingungen, Bauteiltoleranzen und Belastungsprofile auf. Dadurch können Hotspots, Leistungsreduzierungen oder thermisch verursachte Funktionsstörungen entstehen.
Späte Korrekturen verlangen häufig ein neues Layout. Zudem benötigen geänderte Kupferflächen, Vias oder Leiterplattenmaterialien eine erneute Prüfung. Das verlängert die Entwicklungszeit und erhöht die Kosten.
In der Serie können thermische Schwankungen außerdem die Prozessstabilität beeinträchtigen. Unterschiedliche Kupfermassen verändern beispielsweise das Aufheizverhalten beim Löten. Entwicklung und Fertigung sollten das Layout daher gemeinsam beurteilen.
Welche Entscheidungen über Thermal Management sind nur im Dialog mit Einkauf und Fertigung sinnvoll?
Die erste wichtige Designentscheidung betrifft die thermischen Vias. Entwicklungstechnisch bieten viele Vias unter einem Wärme erzeugenden Bauteil einen kurzen Wärmeweg zu inneren Kupferlagen. Fertigungstechnisch muss das Projektteam jedoch klären, ob der Hersteller die Vias offen, abgedeckt, gefüllt oder verschlossen ausführt.
Offene Vias verursachen meist geringere Leiterplattenkosten. Direkt in einem Lötpad können sie jedoch Lot aufnehmen. Gefüllte und verschlossene Via Lösungen schaffen dagegen eine gleichmäßigere Oberfläche, erfordern aber zusätzliche Fertigungsschritte. Der Dialog zwischen Entwicklung, Einkauf und Fertigung führt deshalb zu einer Lösung, die Wärme zuverlässig ableitet und zugleich einen stabilen Lötprozess ermöglicht.
Die zweite wichtige Entscheidung betrifft Kupferflächen, Leiterbahnen und Kupferstärken. Breite Leiterbahnen reduzieren den elektrischen Widerstand und begrenzen dadurch die Eigenerwärmung. Große Kupferflächen verteilen Wärme, wobei Innenlagen zusätzliche Wärme aufnehmen können. IPC 2152
Mehr Kupfer verbessert jedoch nicht automatisch jede Baugruppe. Große Kupferflächen benötigen Platz und können die Erwärmung beim Löten beeinflussen. Dickere Kupferlagen erhöhen außerdem Materialeinsatz, Ätzaufwand und Kosten. Daher sollte das Team nur dort zusätzliches Kupfer einsetzen, wo Berechnung, Simulation oder Messung einen klaren Nutzen zeigen.
Auch die Oberflächenbearbeitung verdient Aufmerksamkeit. Eine Kontaktfläche für ein Wärmeleitpad oder einen Kühlkörper benötigt eine passende Geometrie und Oberfläche. Lötstopplack, Unebenheiten oder ungünstige Bauteilabstände können dagegen den thermischen Kontakt verschlechtern. Eine abgestimmte Fläche schafft einen zuverlässigen Wärmeübergang und erleichtert zugleich die Montage.
Wie läuft Thermal Management von Leiterplatten in der Praxis ab?
Am Anfang definiert das Projektteam die Betriebsbedingungen. Dazu zählen Umgebungstemperatur, Einschaltdauer, Lastzustände, Einbauraum und Luftbewegung. Anschließend ermittelt die Entwicklung die Verlustleistungen und zulässigen Temperaturen der kritischen Bauteile.
Danach plant sie die Wärmewege. Das Layout berücksichtigt Bauteilpositionen, Leiterbahnbreiten, Kupferflächen, Innenlagen und thermische Vias. Gleichzeitig prüft der Einkauf die Verfügbarkeit der Materialien und die Fertigungsmöglichkeiten potenzieller Lieferanten.
Im nächsten Schritt vergleicht das Team technische Varianten. Eine größere Kupferfläche kann beispielsweise wirtschaftlicher als ein spezielles Basismaterial sein. Bei hoher lokaler Verlustleistung kann dagegen ein Kühlkörper, ein Wärmeleitpad oder eine Leiterplatte mit Metallkern bessere Ergebnisse liefern.
Anschließend fertigt das EMS Team einen Prototyp und prüft ihn unter realistischen Bedingungen. Thermoelemente messen gezielt kritische Bauteile. Eine Wärmebildkamera zeigt zusätzlich Temperaturunterschiede und lokale Hotspots.
Zum Abschluss dokumentiert das Projektteam die zulässigen Temperaturen, Messpunkte und Prüfbedingungen. Diese Vorgaben unterstützen die Erstserie und spätere Serienprüfungen. Der Einkauf erhält dadurch klare technische Kriterien für Lieferantenanfragen, Angebote und Freigaben.
Weiterführende Informationen:
Fazit: Thermal Management für EMS Einkäufer früh abstimmen
Thermal Management betrifft nicht nur die Entwicklung. Es beeinflusst ebenso Materialkosten, Fertigungsverfahren, Lieferantenauswahl und Serienfähigkeit. EMS Einkäufer schaffen daher einen wichtigen Mehrwert, wenn sie thermische Anforderungen früh mit Entwicklung und Fertigung abstimmen.
JORATEC Solutions verbindet technische Auslegung, fertigungsgerechtes Design und wirtschaftliche Beschaffung. So entstehen Leiterplatten, die Wärme kontrolliert ableiten und sich zuverlässig fertigen lassen.
Lernen Sie unsere EMS-Leistungen kennen.
Sie wollen wissen, wie wir Ihr Projekt technisch und wirtschaftlich nach vorn bringen?
Auf unserer Leistungsseite finden Sie alle Schritte von der Produktidee bis zur fertigen Leiterplatte.
Lernen Sie unsere EMS-Leistungen kennen.
Sie wollen wissen, wie wir Ihr Projekt technisch und wirtschaftlich nach vorn bringen?
Auf unserer Leistungsseite finden Sie alle Schritte von der Produktidee bis zur fertigen Leiterplatte.
