Die steigenden Spezifikationen elektronischer Produkte führen zu umfangreichen Anwendungen von großskaligen integrierten Schaltkreisen (ICs) undBestückung mit Oberflächenmontagetechnik (SMT)in modernen Electronic Manufacturing Services. Darüber hinaus entwickeln sich Schaltungen in Richtung Miniaturisierung, geringes Gewicht, Mehrfachfunktionen, hohe Leistung, hohe Geschwindigkeit und hohe Zuverlässigkeit. Die stetige Zunahme der Bauteildichte führt zu einer allmählichen Erhöhung der Wärmestromdichte. Was Halbleiterbauelemente betrifft, können zu hohe Temperaturen möglicherweise zu Veränderungen der elektrischen Leistung führen. Immer wenn Tj(Übergangstemperatur) um das Einfache ansteigt, kann dies im schweren Fall zu einem thermischen Durchbruch führen. Wenn thermische Probleme nicht angemessen gelöst werden, werden die Bauteilspezifikationen mit Sicherheit instabil, was die Stabilität und Zuverlässigkeit der Produkte weiter verringert und ihre Aufgaben in der Schwebe lässt. Zusammenfassend sind die thermischen Probleme von Leiterplatten (PCBs) so ausgeprägt, dass ihnen besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden muss, um eine hohe Leistungsfähigkeit elektronischer Produkte zu gewährleisten.
Bislang können die von Hochleistungsschaltungen genutzten Methoden der Wärmeableitung den von nachfolgenden Schaltungen gestellten Anforderungen an die Wärmeableitung kaum gerecht werden, was nach einer neuen Art thermischer Lösung verlangt. Auf der Grundlage einer Diskussion einiger gängiger Wärmeableitungsmethoden, die in elektronischen Produkten eingesetzt werden,Metallkern-Leiterplatte (MCPCB)wird als Lösung für thermische Probleme in fortschrittlichen Schaltungen eingeführt.
Die von der Schaltung erzeugte Wärme stammt hauptsächlich aus der Wärme der Bauteile, der Leiterplatte (PCB) und der durch äußere Wärmeleitung entstehenden Wärme, wobei der größte Anteil auf die Bauteilwärme entfällt. Daher erhält das Problem der Wärmeableitung der Bauteile bei der Bauteilanordnung und dem PCB-Design die meiste Aufmerksamkeit. Der thermische Widerstand spielt eine entscheidende Rolle in der Thermikgestaltung, und das Ziel des thermischen Designs besteht darin, den auf dem Wärmeleitpfad auftretenden thermischen Widerstand zu verringern, sodass die Wärme schnell zu einem Kühlkörper wie einem Radiator abgeführt wird. Der gesamte thermische Widerstand zwischen dem elektronischen Bauteil und dem Kühlkörper kann in Geräteebene, Montageebene und Systemebene eingeteilt werden. Der thermische Widerstand auf Geräteebene wird auch als interner Widerstand bezeichnet, während der Widerstand auf Montageebene als äußerer Widerstand und der Widerstand auf Systemebene als Endwiderstand bezeichnet wird. Die Beziehung zwischen internem und äußerem Widerstand und Tjvon Komponenten ist gleichwertig zu der zwischen Komponente Tjund thermischen Widerstand, entsprechend der folgenden Formel:
Tj=Pdx (Rjc+Rcs+Rsa)+T0
In dieser Formel, Tjbezieht sich auf die Sperrschichttemperatur der Komponente; Pdbezieht sich auf die Geräteleistung; Rjc, Rcsund Rsabeziehen sich jeweils auf den thermischen Widerstand vom Übergang zum Gehäuse, vom Gehäuse zum Kühlkörper und vom Kühlkörper zum vollständigen Gerät. T0bezieht sich auf die Anfangstemperatur und Rjcist ein fester Kennwert. Daher kann eine Verringerung des thermischen Widerstands nur aus der Perspektive von R erreicht werdencsund Rsa.
Gerätemontagemodi spielen eine wichtige Rolle bei der Wärmeableitung, und unterschiedliche Arten von Montagemodi erfordern unterschiedliche Methoden der Wärmeableitung.
• Konvexe Plattformstruktur
Wenn das Gehäusebauteil direkt mit der Leiterplatte in Kontakt steht und auf der Vorderseite montiert ist, sollte die konvexe Plattform der Abdeckplatte zur Wärmeableitung genutzt werden. Unter Wärmeableitung über eine konvexe Plattform versteht man den Prozess, bei dem entsprechend den Positionen der Kühlkörper in der Schaltung eine konvexe Plattform zur Wärmeableitung an der entsprechenden Abdeckplatte angebracht wird, wobei eine wärmeleitende, isolierende Matte verwendet wird, die mit der konvexen Plattform in Kontakt steht.
Dieser Modus der Wärmeableitung erfordert ein abgestimmtes Zusammenspiel von Struktur- und Leiterplattendesign. Anzahl, Positionen, Höhe, Fläche der konvexen Plattformen sowie die Dicke der wärmeleitenden Matte stehen in engem Zusammenhang mit der Leistung der Leiterplatte. Außerdem müssen Montageabweichungen ebenfalls berücksichtigt werden. Daher bringt dieser Modus viele Schwierigkeiten für das PCB-Design, die PCB-Fertigung und die Leiterplattenbestückung (PCBA) mit sich.
• Wärmeleitfähiges Klebeband
Wenn die Pins von Bauteilen direkt auf die Leiterplatte gelötet werden, ohne dass das Gehäuse des Bauteils direkten Kontakt mit der Leiterplatte hat, kann wärmeleitendes Band zur Wärmeableitung eingesetzt werden. Wärmeleitendes Band besteht in der Regel aus Kupfer und weist zwei Montagearten auf. Bei der ersten wird das wärmeleitende Band auf der Oberseite des Bauteils montiert, während das andere Ende mit dem Kühlkörper verbunden ist. Bei der zweiten werden die Bauteile über das wärmeleitende Band auf der Leiterplatte montiert, wobei das andere Ende mit dem Kühlkörper verbunden ist. Letztere Art der Wärmeableitung erfolgt hauptsächlich über die Unterseite. Zwischen Bauteil und wärmeleitendem Band kann eine selbstklebende wärmeleitende Isoliermatte verwendet werden.
Dieser Modus erfordert eine strukturelle Montage zwischen Komponenten und wärmeleitendem Klebeband, die beide einen guten Kontakt mit der wärmeleitenden Matte und den Komponenten aufrechterhalten sollten und keine zu große Belastung auf die Anschlussstifte der Komponenten ausüben dürfen. Um das wärmeleitende Klebeband zu befestigen, müssen feste Positionierlöcher auf der Leiterplatte angebracht werden, sodass Leiterbahnen und Layout der Leiterplatte stark beeinträchtigt werden. Daher ist dieser Modus nicht geeignet fürHochdichte Leiterplatten.
Außerdem werden die Anschlussstifte der Bauteile beeinträchtigt, wenn das wärmeleitende Klebeband vibriert, was sorgfältig berücksichtigt werden muss.
• Thermorohr
Das Thermorohr nutzt die Verdunstungskühlung, wobei der Temperaturunterschied zwischen den beiden Enden des Thermorohrs extrem groß ist, sodass Wärme schnell geleitet werden kann. Allgemein gesprochen besteht ein Thermorohr aus Rohrmantel, Kapillarstruktur und Endkappe. Im Inneren des Thermorohrs herrscht ein Unterdruckzustand, in dem sich eine Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt befindet. Außerdem lässt sich diese Art von Flüssigkeit leicht verdampfen. An der Rohrwand befindet sich ein Flüssigkeitsaufnahmekern aus kapillarem Material. Ein Ende des Thermorohrs dient der Verdampfung, das andere der Kondensation. Wenn der Verdampfungsteil des Thermorohrs erhitzt wird, verdampft die Flüssigkeit in der Kapillarstruktur sofort, und der Dampf strömt unter geringem Druck zum anderen Teil, wo die freigesetzte Wärme abgeführt und der Dampf wieder zu Flüssigkeit kondensiert, die dann unter Kapillarkräften zum Verdampfungsteil des Thermorohrs zurückfließt.
Obwohl Thermorohre eine deutlich verbesserte Wärmeableitungsfähigkeit aufweisen, sind sie noch nicht ausreichend ausgereift, um von kleinen Bauteilen akzeptiert zu werden. Daher liegt vor Thermorohren im Bereich der Wärmeableitung von Leiterplatten (PCBs) noch ein weiter Weg.
• Einführung in MCPCB
Mit der kontinuierlichen Entwicklung und Optimierung der Materialwissenschaft und Verarbeitungstechnologien wurden MCPCBs in den USA und Japan umfassend eingesetzt. Unter vergleichbaren äußeren Einsatzbedingungen weisen MCPCBs eine deutlich bessere Wärmeableitung auf als jede andere Art von Leiterplatten und repräsentieren damit ein hohes Niveau der weltweiten Hochleistungs-Elektronikmontage.
MCPCBs nutzen wärmeleitfähige Metalle, zum Beispiel Kupfer, in einer Schicht einer mehrlagigen Leiterplatte. MCPCBs leiten Wärme nach außen über den Metallkern ab oder ermöglichen eine schnelle Wärmeableitung, indem sie mit einem externen Kühlkörper verbunden werden. Bei hochdichten Schaltungen, Leiterplatten, die mit SMT-Bestückung kompatibel sind, oder Schaltungen mit sehr vielen THT-Bauteilen, müssen hochwärmeleitfähige MCPCBs ausgewählt werden. Ein Metallkern mit guter Wärmeableitung wird zunächst in eine mehrlagige Leiterplatte eingebettet, deren Lagen über durchkontaktierte Bohrungen verbunden werden können, die Wärme zum Metallkern und zu dessen Oberfläche leiten können. Die Struktur einer MCPCB ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
• Vorteile von MCPCB
Im Vergleich zu herkömmlichen Wärmeableitungsarten weisen MCPCBs unschlagbare Vorteile bei der Wärmeableitung auf. MCPCBs können die Leistungsdichte von Produkten erhöhen und den Bedarf an der Montage von Kühlkörpern und anderer Hardware verringern. Darüber hinaus kann das Produktvolumen verkleinert werden, während Hardware- und Montagekosten sinken. Schließlich spielen MCPCBs eine aktive Rolle bei der Erhöhung der Zuverlässigkeit von Produkten und der Abschirmung elektromagnetischer Wellen, wobei elektromagnetische Störungen reduziert werden.
Aufgrund der hohen Kupferdichte weisen MCPCBs eine deutlich bessere Qualität auf als alle anderen Arten von Leiterplatten. Die Verwendung von MCPCBs führt jedoch nicht zu einem höheren Gewicht, da weniger Kühlkörper und Zubehörteile benötigt werden, die üblicherweise bei anderen Leiterplattentypen eingesetzt werden. Zwei Hinweise in Bezug auf MCPCBs können bei der Entscheidung für MCPCBs beachtet werden:
Tipp Nr. 1: Es sollte eine geeignete Kupferkerndicke ausgewählt werden.
Tipp Nr. 2: Es kann auch eine Leiterplatte mit Aluminiumkern ausgewählt werden.
