Interne Wärmeableitungs­konstruktion von Leiterplatten basierend auf einem thermischen Modell

Die schnelle Entwicklung der Elektroniktechnologie führt zu einer sofortigen Verbesserung in Bezug auf Rechengeschwindigkeit, Rechenfrequenz und Integrität elektronischer Produkte. Außerdem nimmt mit der Verkleinerung des Volumens elektronischer Produkte die volumetrische Leistungsdichte immer weiter zu. Darüber hinaus bewirken die Entwicklungsrichtungen hin zu Dünnheit, Leichtigkeit und Miniaturisierung, dass elektronische Bauelemente einen zunehmend höheren Wärmeentwicklungswert pro Volumeneinheit aufweisen. Mit der Aufrüstung elektronischer Produkte wird ihre Zuverlässigkeit stark beeinträchtigt, da die Dichte des Wärmeflusses in Leiterplatten (PCBs) schnell zunimmt. Gemäß dem 10-Grad-Prinzip halbieren sich bestimmte Parameter mancher Bauelemente jedes Mal, wenn die Temperatur um 10 Grad Celsius ansteigt. Einer Studie zufolge werden 55 % der elektronischen Geräte beschädigt, weil die Temperatur den Nennwert der Bauelemente überschreitet. Daher ist eine angemesseneKomponentenlayoutund die Wärmeableitung der Leiterplatte (PCB) ist zu einem der Hauptelemente geworden, die Ingenieure berücksichtigen müssen.

Das thermische Design elektronischer Produkte wird in der Regel in folgende Ebenen unterteilt: Systemebene, Leiterplattenebene und Gehäuseebene. Das thermische Design auf Leiterplattenebene bezieht sich auf das thermische Design des Kühlkörpers,elektronische Schabloneund Leiterplatte (PCB). Dieser Artikel stellt eine neue Methode der Wärmeableitung vor, bei der die Wärme an der Unterseite der Bauteile schnell nach außen geleitet wird und die Wärmeabstrahlfläche der Bauteile vergrößert wird, ohne das PCB‑Layout zu beeinflussen. Ziel ist es, die Temperatur der Bauteile und die Temperaturdifferenz zu verringern. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden der Wärmeableitung weist diese neue Methode mehrere Merkmale auf, darunter mehrere Wärmeableitungsstrukturen, die Verringerung der thermischen Dehnung der Leiterplatte und einen geringen Platzbedarf. Die gesamte Wärmeableitung der Leiterplatte ist aufgrund der verschiedenen Muster der PCB‑Lagen, einschließlich Oberseite, Unterseite und Signallagen, anisotrop, was zu mehreren Eigenschaften wie Kupfergehalt, Kupferdicke, Durchkontaktierungen und deren Positionen führt. Auf der Grundlage von Wärmeanalysesoftware sowie der physikalischen Form und den thermischen Eigenschaften der Bauteile werden in diesem Artikel vereinfachte Leiterplatten und Bauteile erstellt und die Länge, Breite und Anzahl der Kühlrippen untersucht, wobei die Versuchsergebnisse durch die Analyse von Simulationsdaten unter verschiedenen Bedingungen gewonnen werden.

Grundlagen der Thermischen Analyse

Theorie der Thermoanalyse beiLeiterplatteDer Pegel basiert auf den grundlegenden Prinzipien der Wärmeübertragungstheorie. Das Wärmeübertragungsverfahren umfasst drei verschiedene Wärmeübertragungsarten: Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung, wobei die Wärmeleitung die führende Methode der Wärmeableitung ist.

Nach dem Fourierschen Gesetz der Wärmeübertragungstheorie gilt für die differentielle Schicht mit einer beliebigen Dicke vondentlang der Richtung vonx, Energie, die vorbeigehtdzur jeweiligen Zeiteinheit ist direkt proportional zur FlächeAder Temperaturänderungsrate, die in einer Formel dargestellt werden kann.

In dieser Formel,F(W) bezieht sich auf die Energie, die die Fläche durchquertAin einer Zeiteinheit, was auch Wärmestrom ist.A(m²) bezieht sich auf die Querschnittsfläche in Leitungsrichtung.L(m) bezieht sich auf die Länge des Leitungswegs.k[W/(m•°C)] ist die Wärmeleitfähigkeit.Δ t(°C) ist der Temperaturunterschied zwischen zwei Seiten vond.x(m) ist der Weg des Wärmeflusses. Minus zeigt die entgegengesetzte Richtung zur Wärmeübertragung und zum Temperaturanstieg an.

Dichte des Wärmestromsq(W/m²) bezieht sich auf die Menge des Wärmeflusses, die durch eine Flächeneinheit hindurchtrittAinnerhalb der Zeiteinheit, wie in der Formel gezeigt.

Verschiedene Materialien haben eine unterschiedliche Wärmeleitfähigkeitkdessen hoher Wert auf eine ausgezeichnete Leitfähigkeit hinweist.

Theorie des thermischen Widerstands von Leiterplatten

Eine Leiterplatte (PCB) ist eine komplexe mehrschichtige Struktur, deren Wärmeleitung anisotrop ist. Bei der thermischen Analyse von Leiterplatten ist die Materialstruktur in jeder Schicht unterschiedlich, sodass es aufgrund der großen Gitteranzahl und der langsamen Rechengeschwindigkeit schwierig ist, ein Modell zu erstellen. In diesem Artikel wird mit Hilfe einer Thermalanalysesoftware ein vereinfachtes Modell verwendet. Das vereinfachte mehrschichtige PCB-Modell ist in Abbildung 1 unten dargestellt.

Angenommen, die Kupferschicht und die FR-4-Schicht haben die gleiche Dicke und jede Schicht hat den gleichen Abstand.k_ndas ist normale Wärmeleitfähigkeit undk_pDies ist die Wärmeleitfähigkeit jeder Schicht, die zur Beschreibung der thermischen Leistung der Leiterplatte verwendet wird. Die folgenden Formeln können zur Berechnung des Wertes verwendet werden.k_nundk_p.

In dieser Formel,δ_Cubezieht sich auf die Dicke jeder Kupferschicht;k_Cuist die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer mit einem Wert von 388 [W/(m•°C)];k_jist die Wärmeleitfähigkeit jeder Kupferleitung;δ_Fist die Dicke jeder FR-4-Schicht;k_Fist die Wärmeleitfähigkeit von FR-4 mit einem Wert von 0,35 [W/(m•°C)];δ_Leiterplatteist die gesamte Leiterplattendicke;A_jist die gesamte Fläche der Kupferführung auf der LagejDer thermische Widerstand der Leiterplatte (PCB) ist im vereinfachten Modell in Abbildung 2 dargestellt.

Die Temperatur der Leiterplattenoberseite und der Unterseite beträgt jeweilst₁undt₂; die insgesamt übertragene Wärme istF; der Gesamtwiderstand istR; der thermische Widerstand jeder Schicht bei Dickenorientierung istR₁,R₂undR₃und schließlichL₁,L₂undL₃; die Fläche des Brettes istA. Basierend auf Abbildung 2(a) soll die Ausrichtung ausschließlich vertikal sein, und der thermische Widerstand kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
R₁= L₁(A•k₁)
R₂= L₂(A•k₂)
R₃= L₃(A•k₃)

Basierend auf Abbildung 2(b) soll die Ausrichtung ausschließlich horizontal sein, und der thermische Widerstand kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
R₁= L/(A₁•k₁)
R₂= L/(A₂•k₂)
R₃= L/(A₃•k₃)
1/R = 1/R₁+ 1/R₂+ 1/R₃

Der gesamte Wärmewiderstand in vertikaler und horizontaler Ausrichtung kann entsprechend der Reihen-Parallel-Schaltung des Wärmewiderstands durch die Formel dargestellt werdenQ = (t₁- t₂)/R.

Basierend auf der obigen Formel ist klar, dass der gesamte thermische Widerstand in horizontaler Ausrichtung deutlich geringer ist als in vertikaler Ausrichtung. Daher wird bei horizontal im PCB eingebettetem Kupfer eine bessere Wärmeableitung erzielt. In diesem Artikel wird eine doppellagige Leiterplatte als Analyseobjekt ausgewählt. Abbildung 3 zeigt die Skizze des im PCB eingebetteten Kupfers.

Simulationsanalyse und Verifikation

• PCB-Modell-Design

Die Größe des vereinfachten Modells ist in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Die Komponente ist in der Mitte der Leiterplatte platziert, unter deren Wärmequelle Kupfer vergraben ist. Kupferkühlrippen sind angrenzend an das Kupfer vergraben. Abbildung 4 zeigt das Simulationsmodell mit einer Größe von 0,5 mm × 30 mm.

Ein Stromkreis mit 2 A Strom wird als Simulationsobjekt festgelegt, sodass die Leiterbahnbreite mindestens 0,5 mm und die Durchkontaktierung 0,5 mm beträgt. Kühlrippen, die an vergrabenes Kupfer angrenzen, sollten einen Mindestabstand von 1 mm haben, und die Breite der Kühlrippen in diesem Artikel ist definiert als 0,13 mm, 0,25 mm, 0,5 mm, 0,75 mm und 1 mm sowie Längen von 20 mm, 30 mm und 40 mm. Unter der Bedingung einer Breite von 10 mm und einem Abstand von weniger als 1 mm ist die Anzahl der Kühlrippen mit unterschiedlicher Breite in der untenstehenden Tabelle dargestellt.

• Ergebnisanalyse

Basierend auf Tabelle 2 lässt sich schließen, dass Unterschiede in der Breite und Länge der Kupferlamellen alle zu einem starken Anstieg der Bauteiltemperatur der Leiterplatten führen. In der praktischen Anwendung sollten jedoch geeignete Leiterplattenlängen und Lamellenbreiten unter Berücksichtigung der praktischen Gegebenheiten und der Kupferkosten ausgewählt werden. Abbildung 5 zeigt den Graphen der höchsten Bauteiltemperatur, während Abbildung 6 den Graphen der niedrigsten Bauteiltemperatur darstellt.

Aus der durch das Diagramm angezeigten Änderungstendenz lässt sich zusammenfassen, dass bei einer Rippenbreite von weniger als 0,5 mm die Temperatur der Bauteile mit der Vergrößerung der Rippenbreite stark abnimmt. Die Temperaturreduktion wird stabil, wenn die Breite mehr als 0,5 mm beträgt. Daher ist der Temperaturunterschied am größten, wenn die Rippenbreite bei 0,5 mm gehalten wird, bei den geringsten Materialkosten. Mit der Zunahme der Kühlrippen sinkt die Bauteiltemperatur.

Die Temperatur fällt am stärksten, um mehr als 5 °C, wenn die Lamellenlänge im Bereich von 20 mm bis 30 mm liegt. Die Temperatur fällt nur geringfügig, um etwa 2 °C oder weniger, wenn die Lamellenlänge im Bereich von 30 mm bis 40 mm liegt. Daher sind die Temperaturdifferenzen bei Lamellen mit einer Länge von 20 mm bis 30 mm relativ groß, während die Kosten vergleichsweise niedrig bleiben. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass Kühlrippen auf Leiterplatten weder zu lang noch zu breit sein dürfen, ist es sinnvoll, Lamellen mit einer Breite von 0,5 mm und einer Länge von 30 mm zu wählen.

Abbildung 7 zeigt das Diagramm der PCB-Simulation der Temperaturverteilung ohne eingebettetes Kupfer, während Abbildung 8 das Diagramm der PCB-Simulation der Temperaturverteilung mit Kühlrippen mit einer Länge von 30 mm und einer Breite von 0,5 mm zeigt.

Den beiden Abbildungen zufolge sinkt die höchste Temperatur von 108,4 °C auf 88,6 °C, was einer Reduktion um 18,5 % entspricht. Die niedrigste Temperatur sinkt von 98,3 °C auf 83,2 °C, mit einer Reduktion um 15,3 %. Auf Grundlage des Vergleichs des Temperaturfeldes zwischen Abbildung 7 und Abbildung 8 lässt sich erkennen, dass eine Leiterplatte (PCB) mit eingebettetem Kupfer dazu in der Lage ist, das Temperaturfeld gleichmäßiger zu verteilen und die Temperaturdifferenz der Leiterplatten zu verringern, sodass Hotspots vermieden werden können. Eine PCB mit eingebettetem Kupfer senkt die Temperatur der Bauteile, was zur Verbesserung der Wärmeableitung der Bauteile auf der Leiterplatte beiträgt, sodass die Zuverlässigkeit der Bauteile deutlich erhöht wird.

Mit der Verbesserung der Elektronik und der Verringerung der Baugrößen ist eine geeignete Wärmeableitung in Leiterplatten für Leistung und Zuverlässigkeit erforderlich. Neue Methoden, darunter der Einsatz von eingebettetem Kupfer und optimierten Kühlrippen, senken die Bauteiltemperaturen effizient und sorgen für eine ausreichende Wärmeverteilung, ohne Hotspots zu erzeugen. Diese neuen Methoden erhöhen die Lebensdauer elektronischer Geräte, indem sie optimale Betriebsbedingungen gewährleisten.

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