Thermal Management von Leiterplatten

Thermal Management in der Entwicklung von Leiterplatten, kurz erklärt

Thermal Management von Leiterplatten steuert die Entstehung, Verteilung und Ableitung von Wärme. Entwickler berücksichtigen dabei Bauteile, Leiterbahnen, Kupferflächen, Materialien und das Gehäuse. So schützen EMS Entwickler die Elektronik, sichern die Leistung und verlängern die Lebensdauer der Leiterplatten.

Was bedeutet Thermal Management von Leiterplatten?

Thermal Management von Leiterplatten umfasst alle Maßnahmen, die kritische Temperaturen vermeiden. Dabei analysieren Entwickler zunächst die Verlustleistung der Bauteile. Anschließend planen sie geeignete Wege für die Wärmeabfuhr.

Eine einzelne weltweit gültige Norm für das gesamte Thermal Management existiert nicht. Entwickler nutzen jedoch mehrere internationale Regelwerke. IPC 2152 behandelt etwa die Stromtragfähigkeit und Erwärmung von Leiterbahnen. Die Normenreihe JESD51 beschreibt dagegen thermische Messverfahren und Kennwerte für Halbleiter. IPC 2221 liefert zudem allgemeine Anforderungen an das Leiterplattendesign. IPC Standards und Anwendungsbereiche

Beim Prototyp messen Entwickler die Temperatur häufig mit Thermoelementen oder einer Wärmebildkamera. Dabei prüfen sie die Leiterplatte unter realistischen Lasten und Umgebungsbedingungen. Thermoelemente erfassen gezielt einzelne Messpunkte, wobei eine Wärmebildkamera Temperaturverteilungen und Hotspots sichtbar macht.

Beim Serienteil eignen sich je nach Risiko integrierte Temperatursensoren, definierte Messpunkte und stichprobenartige Wärmebildprüfungen. Dabei vergleicht die Qualitätssicherung die Ergebnisse mit festgelegten Grenzwerten. So erkennt sie thermische Abweichungen frühzeitig.

Wann legt die EMS Entwicklung das Thermal Management fest?

Die EMS Entwicklung beginnt mit dem Thermal Management bereits während der Schaltungsentwicklung. Verlustleistung, Betriebsdauer, Umgebungstemperatur und Einbausituation beeinflussen die Auslegung. Deshalb gehören thermische Anforderungen in das Lastenheft und in die Bauteilauswahl.

Im nächsten Schritt berücksichtigt das Layout die Wärmewege. Kupferflächen, Leiterbahnbreiten, thermische Vias und Bauteilabstände bestimmen die Temperaturverteilung wesentlich. Wenn Entwickler diese Faktoren früh abstimmen, dann vermeiden sie aufwendige Änderungen am fertigen Layout.

Spätestens vor dem Design Freeze prüft das Entwicklungsteam das thermische Konzept. Dabei verbindet es Berechnung, Simulation und Messung. So entsteht eine belastbare Grundlage für Prototyp und Serie.

Wann wird das Thermal Management besonders wichtig?

Thermal Management von Leiterplatten gewinnt bei leistungsstarken Prozessoren, Leistungshalbleitern, LED Anwendungen und hohen Strömen an Bedeutung. Ebenso steigt seine Relevanz bei kompakten Bauformen und geschlossenen Gehäusen. Hohe Umgebungstemperaturen verschärfen die Anforderungen zusätzlich.

Auch hohe Packungsdichten erschweren die Wärmeabfuhr. Bauteile beeinflussen sich dabei gegenseitig, wobei lokale Hotspots entstehen können. Zudem begrenzen temperaturempfindliche Kondensatoren, Sensoren und Speicherbausteine die zulässige Erwärmung.

Wenn eine Baugruppe dauerhaft unter hoher Last arbeitet, dann muss das Konzept auch den ungünstigsten Betriebsfall beherrschen. Entwickler betrachten deshalb maximale Eingangsspannungen, Lastspitzen und eingeschränkte Luftbewegung. Zudem berücksichtigen sie Alterung, Verschmutzung und unterschiedliche Einbaulagen.

Wie optimiert JORATEC Solutions Engineering das Thermal Management von Leiterplatten?

JORATEC Solutions Engineering betrachtet Bauteil, Leiterplatte, Gehäuse und Betriebsumgebung als Gesamtsystem. Das Team identifiziert Wärmequellen und bewertet die verfügbaren Wärmewege. Anschließend stimmt es technische Wirkung, Herstellbarkeit und Kosten miteinander ab.

Die Entwickler optimieren zunächst das Layout. Sie verändern etwa Kupferflächen, Leiterbahnbreiten, Lagenaufbau und Bauteilpositionen. Zudem setzen sie thermische Vias gezielt ein, wobei sie Fertigungsgrenzen und Lötprozesse beachten.

Falls die Leiterplatte allein nicht genügend Wärme abführt, prüft JORATEC Solutions weitere Lösungen. Dazu zählen Kühlkörper, Wärmeleitmaterialien, Metallkernleiterplatten oder eine gezielte Luftführung. Eine frühe Abstimmung hält jedoch die Konstruktion kompakt und wirtschaftlich.

Wie läuft die Ausarbeitung des Thermal Managements von Leiterplatten ab?

Am Anfang stehen die technischen Anforderungen. JORATEC erfasst Leistung, Verlustleistung, Umgebungstemperatur, Einschaltdauer, Einbauraum und Kühlmöglichkeiten. Zudem prüft das Team die zulässigen Temperaturen aller kritischen Bauteile.

Danach erstellt JORATEC Solutions ein thermisches Konzept. Dieses Konzept definiert Wärmequellen, Wärmewege und Grenzwerte. Dabei berücksichtigt das Team auch Kupferstärken, Leiterplattenmaterialien, den PCB Stackup und mögliche Kontaktflächen zum Gehäuse.

Anschließend fließen die Ergebnisse in Schaltung und Layout ein. Simulationen und überschlägige Berechnungen unterstützen die Auslegung. Messungen am Prototyp bestätigen danach die tatsächliche Temperaturverteilung.

Wie optimiert JORATEC das Thermal Management von Leiterplatten im Detail?

JORATEC Solutions platziert Bauteile mit hoher Verlustleistung so, dass sich Wärme nicht lokal konzentriert. Große Kupferflächen verteilen die Energie, wobei ausreichend dimensionierte Leiterbahnen die Eigenerwärmung reduzieren. Thermische Vias führen Wärme gezielt in weitere Kupferlagen oder zu einer Kühlfläche.

Das Team überprüft außerdem den Lagenaufbau. Innenlagen können Wärme verteilen, dagegen beeinflussen Materialstärke und Wärmeleitfähigkeit den Wärmetransport. Die Auswahl muss deshalb zur elektrischen Funktion und zur Fertigung passen.

JORATEC Solutions prüft zudem Kühlkörper, Wärmeleitpads, Gehäuseanbindungen und Luftströme. Wenn eine passive Lösung die Grenzwerte sicher einhält, dann vermeidet sie zusätzlichen Energieverbrauch und mögliche Ausfallstellen. Reicht sie nicht aus, ergänzt das Team eine aktive Kühlung.

Welche Auswirkungen hat das Thermal Management von Leiterplatten?

Ein gutes Thermal Management schützt Bauteile vor kritischen Temperaturen. Es unterstützt stabile elektrische Eigenschaften und reduziert thermisch verursachte Ausfälle. Zudem erhöht es die Zuverlässigkeit der gesamten Baugruppe.

Gleichmäßige Temperaturen reduzieren thermische Spannungen zwischen Bauteilen, Lötstellen und Leiterplatte. Dadurch sinkt das Risiko für Materialermüdung und Kontaktprobleme. Besonders häufige Temperaturwechsel verlangen deshalb eine sorgfältige Auslegung.

Ein früh entwickeltes Konzept verbessert außerdem die Wirtschaftlichkeit. Es verhindert unnötig große Kühlkörper und vermeidet späte Layoutänderungen. Zugleich unterstützt es eine sichere Serienüberleitung.

Fachliche Quellen

IPC Checkliste mit IPC 2152, IPC 2221 und weiteren Leiterplattennormen

IPC 2152 zur Stromtragfähigkeit von Leiterplatten

Wie geht man Schritt für Schritt bei der Definition des Thermal Managements einer Leiterplatte vor?

Ein Steuergerät soll dauerhaft in einem geschlossenen Gehäuse arbeiten. Zunächst erfasst JORATEC die maximale Umgebungstemperatur sowie die Verlustleistung der Prozessoren, Spannungsregler und Leistungshalbleiter. Danach definiert das Team die zulässigen Bauteiltemperaturen. Eine erste Berechnung zeigt, an welchen Stellen kritische Temperaturen auftreten können. Daraufhin optimiert JORATEC die Bauteilpositionen, Kupferflächen und thermischen Vias.

Anschließend fertigt das Projektteam einen Prototyp und betreibt ihn unter maximaler Last. Thermoelemente messen ausgewählte Bauteile, wobei eine Wärmebildkamera die gesamte Temperaturverteilung zeigt. Wenn die Messwerte die definierten Grenzwerte sicher unterschreiten, dann gibt JORATEC das Konzept für die Serienüberleitung frei. Andernfalls verbessert das Team gezielt die Wärmewege und wiederholt die Messung.

Häufige Fragen zum Thermal Management von Leiterplatten