Das Wärmemanagement wird in elektronischen Systemen immer wichtiger

Es besteht ein wachsender Bedarf an speziellen Lösungen für den Umgang mit überschüssiger Wärme in Elektronikprodukten. Die rasante technische Entwicklung hat zu höheren Anforderungen geführt, nicht zuletzt auch bei der Leiterplattentechnik. In dieser Ausgabe beschreiben die Experten von NCAB die Entwicklungen in diesem Bereich und die verfügbaren Methoden für das Wärmemanagement.

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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.

„Man muss kreativ sein und neue Ansätze finden, um die überschüssige Wärme abzuführen oder umzuleiten.“

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.

„Die Leiterplatten müssen miniaturisiert werden, um immer kleinere elektronische Bausteine verwenden zu können.“

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.

„Die Leiterplatten sind derzeit in der Lage, 3 bis 5 GHz-Signale zu verarbeiten. Doch bei vollem Funktionsumfang von 5G müssen sie mit Signalen von 25 GHz und höher umgehen können.“

Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy

„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.

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.

Frühzeitig Spezialisten einbeziehen

„Clevere Designer führen thermische Simulationen schon durch, bevor sie die Leiterplatten fertigen lassen, und haben ein Gefühl für das, was sie sehen. Viele Unternehmen haben nicht die Möglichkeiten für komplexe thermische Berechnungen oder die erforderliche Software. Also verwenden sie nur die bewährten Verfahren und stellen erst Fragen, wenn sich Probleme zeigen. In diesem Fall wenden sie sich manchmal an uns, wenn sie Tests durchgeführt und Probleme im Zusammenhang mit der Wärme festgestellt haben“, so Jeffrey Beauchamp.

Deshalb empfiehlt er den Unternehmen, bereits in einer frühen Phase des Designprozesses Spezialisten wie NCAB einzubeziehen.

„Wenn Sie sich von Anfang an für die richtige Option entscheiden, sparen Sie eine Menge Zeit, Ärger und Geld.“

Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA

„Dann können wir einen alternativen Lagenaufbau oder alternative Materialien vorschlagen und Probleme einfach und schnell aus der Welt schaffen“, meint er und fährt fort: „Manchmal reicht das vielleicht nicht aus und wir müssen eine komplexere Lösung ins Spiel bringen. Aber es ist dennoch besser, uns frühzeitig einzubeziehen, denn es kann zeitaufwändig und kostspielig sein, eine Leiterplatte neu zu fertigen und zu testen. Wir betonen bei NCAB immer, es schon im ersten Anlauf richtig zu machen. Und wenn es um Wärmemanagement geht, ist es umso wichtiger, weil solche Leiterplatten in der Herstellung teurer sind. Wenn Sie sich von Anfang an für die richtige Option entscheiden, sparen Sie eine Menge Zeit, Ärger und Geld.“

Umgang mit überschüssiger Wärme auf Bare-Board-Ebene

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, mit überschüssiger Wärme auf Bare-Board-Ebene umzugehen. Wir haben Jeffrey Beauchamp und Mario Cianfriglia einige Fragen dazu gestellt.

Wann müssen spezielle Lösungen für das Wärmemanagement auf Bare-Bord-Ebene in Betracht gezogen werden – und nicht nur auf Baugruppenebene?

Jeffrey Beauchamp (JB): „Auf Baugruppenebene wird die Wärme von der Baugruppe abgeleitet und mit Hilfe von Wärmerohren oder Kühlkörpern an die Umgebung abgeführt, wenn nötig mit einer Art Belüftungskühlung oder Flüssigkeitskühlung. Wenn das Wärmeproblem dadurch nicht gelöst wird, muss man sich Lösungen auf Bare-Board-Ebene ansehen. Baugruppen- und Bare-Board-Ebene gehen Hand in Hand. Denn auf Baugruppenebene wird die Wärme von der Baugruppe aufgenommen und an die Atmosphäre abgegeben, während wir auf Bare-Board-Ebene die Wärme durch die Leiterplatte  hindurch zur Oberfläche leiten, damit sie durch die Kühlung auf Baugruppenebene abgeführt werden kann.“

Wie geht man mit überschüssiger Wärme auf Bare-Board-Ebene um?

Mario Cianfriglia (MC): „In einem gut geführten Projekt sollte bereits in der Designphase berücksichtigt werden, wie die Komponenten auf dem Board plaziert und die Leiterbahnen dimensioniert werden müssen. Auch eine ausreichende Kupferdicke muss sichergestellt sein, um einen Wärmestau jenseits der festgelegten Toleranzwerte zu vermeiden. Die Designer müssen alle Daten für die Komponenten in der Baugruppe und für die verwendeten Basismaterialien im Auge behalten. Sie müssen auch die Temperatur kennen, bei der die Leiterplatte eingesetzt wird, um das in Bezug auf Glasübergangstemperatur (Tg) und Zersetzungstemperatur (Td) bestgeeignete Material zu identifizieren. Die Leiterplatte darf sich nie den Temperaturen annähern, bei denen sich die Materialien zersetzen und die zu einem vorzeitigen Ausfall der Leiterplatte führen würden.“

JB: „Auf Bare-Board-Ebene gibt es einige Möglichkeiten, überschüssige Wärme abzuführen. Die einfachste ist eine Leiterplatte im Verbund mit einer Aluminiumplatte. Wir sehen das bei Low-Tech-Leiterplatten, den einfachsten Designs. In Kombination mit einem thermischen Prepreg-Verbundmaterial  erhält man ein sehr einfaches Wärmemanagement. Der nächste Schritt wäre eine isolierte Metallbasis, eine sogenannte IMS-Leiterplatte (isoliertes Metallsubstrat), die häufig in der Industrie eingesetzt wird. In der Regel kommt diese Art bei Leiterplatten mit nur einer Lage zum Einsatz. Eine Grundplatte aus Metall, in der Regel Aluminium, wird hier mit einer dünnen Schicht Prepreg oder Harz (Wärmeleitfolie) und dann mit einer Kupferfolie bedeckt. IMS kann auch in zweilagigen Leiterplatten bzw. mit bis zu vier Lagen eingesetzt werden, was allerdings vom Design her komplexer ist. Einige der höherwertigen Automobil-Scheinwerfer werden mit einem einlagigen IMS hergestellt, das metallflexibel ist und in die entsprechende Form gebogen wird.“

„Die Leiterplatte darf sich nie den Temperaturen annähern, bei denen sich die Materialien zersetzen und zu einem vorzeitigen Ausfall der Leiterplatte führen.“

Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy

MC: „Der nächste Schritt im Wärmemanagement jenseits von IMS ist die Via-Farm. Hier betreten wir einen viel komplexeren Bereich, zumindest was die Prozesse bei der Herstellung dieser Produkte angeht. Im Wesentlichen kommen alle möglichen Technologien zum Einsatz, um die Bohrungen thermisch leitfähiger zu machen. Dazu gehört das Auskleiden der Bohrungswandungen mit sehr dickem Kupfer, dann das Füllen der Bohrungen mit wärmeleitenden oder nichtleitenden Harzen und schließlich das Abdecken der Bohrungsoberfläche mit Kupfer. All dies dient dazu, eine Fläche mit Bohrungen zu erzeugen, die in der Lage ist, große Mengen an thermischer Energie abzutransportieren. Hier muss der Designer alle Betriebsparameter des Objekts berücksichtigen, und er muss wissen, wo bestimmte Komponenten plaziert werden müssen.“

JB:„Kupfer ist nach Diamant das am besten wärmeleitende Material. Man kann also mit Sicherheit sagen, dass es für den Wärmetransport optimal ist. Mit der Via-Farm schaffen wir also mehr Wege, um die Wärme abzuleiten.“

MC: „Die fortschrittlichste Lösung für das Wärmemanagement ist schließlich eine Methode, die als Copper-Coin-Technologie bekannt ist. Sie besteht aus Kupferelementen mit vorgegebenen Abmessungen und Geometrien – zylindrisch oder kubisch und mit verschiedenen Höhen. Diese „Kupfermünzen“ sind oft T-förmig, um so viel Wärme wie möglich auf die gegenüberliegende Seite der Leiterplatte zu übertragen. Diese Technologie wird zur Kühlung aktiver Bausteine wie z.B. Quad Flat Packages (QFD) eingesetzt. Um das Bauteil so gut wie möglich zu kühlen, wird eine Kupfermünze unter dem Baustein plaziert. Hierbei kommen verschiedenen Techniken zum Einsatz. Die Münze kann auf der Oberfläche oder in Hohlräumen angebracht werden, sie kann während des Multilayer-Pressverfahrens in die Leiterplatte integriert oder eingepresst werden.“

JB: „Die Copper-Coin-Technologie sollte in Betracht gezogen werden, wenn andere Möglichkeiten nicht funktioniert haben. Wir bekommen manchmal Fragen zu dieser Technologie von Kunden, die beim Testen von Leiterplatten Probleme mit dem Wärmemanagement hatten. Oftmals hatten sie nicht erwartet, wie kompliziert und teuer es sein kann, eine solche Lösung in ein schon vorhandenes Design einzuführen. Es hört sich einfach an, ein Stück massives Kupfer einzubauen, das die Wärme ableitet, aber die erforderlichen strukturellen Änderungen können extrem komplex sein. Oft gibt es einfachere Lösungen für solche Probleme. Man braucht keine Bazooka, um eine Mücke zu töten, dafür gibt es einfachere Werkzeuge.“

„Die Copper-Coin-Technologie sollte in Betracht gezogen werden, wenn andere Möglichkeiten nicht funktioniert haben.“

Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA

Was sind die Vor- und Nachteile der verschiedenen Wärmemanagement-Verfahren?

MC: „Letztendlich hängt es von der Anwendung ab, für welche Lösung man sich entscheidet, um thermische Probleme zu bewältigen. Die Wahl des Verfahrens wird in den meisten Fällen vermutlich durch die Kosten bestimmt, die wiederum mit dem Entwicklungsstand der jeweiligen Technologie zusammenhängen.“

JB: „Der Vorteil der Kupfermünzen liegt darin, dass sie eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit erreichen. Der Baustein ist direkt mit dem Kupfer und dem Kühlkörper verbunden. Aber wie ich bereits erwähnt habe: Es gibt nicht unerhebliche Nachteile, was die Kosten und die Komplexität betrifft. Dieses Verfahren stellt hohe Anforderungen an das Design, und es gibt nur eine begrenzte Anzahl von Fertigungsstätten, die in der Lage sind, solche Leiterplatten zu produzieren.

Im Gegensatz dazu hat die Via-Farm den Vorteil, dass fast jeder Hersteller damit umgehen kann. Es brauchen nur die Vias gebohrt zu werden. Die Herstellungskosten sind also relativ gering. Es sind auch keine großen Eingriffe in das Design nötig. Sie fügen mehr Vias hinzu, was natürlich den Platz und die Möglichkeiten einschränkt, Bausteine auf der vorhandenen Fläche unterzubringen. Aber die Lösung ist immer noch einfacher herzustellen als die Copper-Coin-Technologie. Ein Nachteil der Via-Farm ist, dass Sie beim Beschichten mehr Kupfer verwenden müssen, was bei den heutigen Preisen einen erheblichen Einfluss auf die Kosten hat. Als Alternative können Sie wärmeleitende Epoxidharze verwenden, aber auch das ist relativ teuer, und die Leitfähigkeit ist nicht auf dem gleichen Niveau.

Sowohl bei den Kupfermünzen als auch bei den Vias besteht ein möglicher Nachteil darin, dass ihre gute Wärmeübertragung den Bestückungsvorgang erschwert. Wenn wir mit einem Leiterplattendesigner sprechen, empfehlen wir immer auch, dass er sich mit seinem Vertragshersteller oder Bestücker in Verbindung setzt.

Die Vorteile des IMS bestehen darin, dass es einfach, effizient und vernünftig herzustellen ist. Der Nachteil ist, dass die Anzahl der möglichen Lagen drastisch eingeschränkt ist. Einlagige IMS sind sehr verbreitet, zweilagige IMS sind weniger gebräuchlich. Die Designmöglichkeiten sind also etwas eingeschränkt. Dreilagige IMS sind sehr ungewöhnlich. NCAB unterstützt bis zu vierlagige IMS, doch das ist nicht einfach. Es ist zwar immer noch preiswerter als z. B. eine Copper-Coin-Leiterplatte herzustellen, stellt aber sehr spezifische Anforderungen an den Lagenaufbau, die Verbindungslagen, usw.“

„Wir unterstützen praktisch überall, wo wir geografisch präsent sind, das gesamte Spektrum des Wärmemanagements – vom IMS über die Via-Farm bis hin zu den Kupfermünzen. Wir können bei allen Schritten helfen, vom Prototyping bis zur Serienfertigung.“

Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA

Was bietet NCAB in diesem Bereich an?

MC: „Wir können unsere Kunden bei allen genannten Technologien unterstützen, bei denen viele Parameter zu berücksichtigen sind. Mit unseren umfassenden Designerfahrungen können wir die bestgeeigneten Optionen für eine bestimmte Anwendung empfehlen. Wir haben auch Fertigungsstätten, die diese Produkte herstellen können. Je früher wir in ein Projekt einbezogen werden können, desto besser sind die Voraussetzungen für uns, um unseren Kunden zu helfen, die bestmögliche Lösung zu finden.“

JB: „Wir unterstützen praktisch überall, wo wir geografisch präsent sind, das gesamte Spektrum des Wärmemanagements – vom IMS über die Via-Farm bis hin zu den Kupfermünzen. Wir können bei allen Schritten helfen, vom Prototyping bis zur Serienfertigung. Das Wärmemanagement ist ein Bereich, in dem die Kunden sehr von unserem Expertenwissen profitieren können, vor allem angesichts der steigenden Nachfrage nach Speziallösungen. Ich bezweifle, dass irgendjemand sonst über solches Spezialwissen verfügt. Für uns ist es möglich, da wir jeden Tag mit solchen Herausforderungen arbeiten.“

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