1. Vergrößerung der Kupferfläche und großflächiges Kupfergießen
Grundprinzip: Kupfer hat eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 401 W/(m·K), tausendmal höher als FR-4-Substrat (~0,3 W/(m·K)). Durch die Vergrößerung des Kupferfolienbereichs um wärmeerzeugende Komponenten entsteht ein größerer Querschnitt für die Wärmeverteilung und verringert effektiv den Wärmewiderstand zwischen Verbindungsstelle und Umgebung.
Technische Schlüsselpunkte:
Strom- und Erdungspins wärmeintensiver ICs müssen direkt mit großen Kupferebenen verbunden werden; Vermeiden Sie schmale Leiterbahnen, die den Wärmefluss behindern.
Gießen Sie Kupfer auf die obere und untere Schicht und koppeln Sie sie thermisch über Durchkontaktierungen, um eine entsprechende Verdoppelung der Kupferdicke zu erreichen.
Ein größerer Kupferguss bringt nicht immer proportionale Vorteile. Die thermische Verstärkung nimmt um mehr als das 3- bis 5-fache der Chipgröße ab. Gleichen Sie die thermische Leistung mit EMI und Signalintegrität ab.
Behalten Sie bei BGA-/QFN-Geräten mit unteren Wärmeleitpads eine durchgehende Kupferschicht ohne Segmentierung direkt unter dem Chip bei.
2. Thermal Vias-Array
Grundprinzip: Wenn sich das Wärmeleitpad einer Komponente auf der oberen Schicht befindet, während eine größere Wärmeableitung auf der unteren oder inneren Schicht erfolgt, wird der vertikale Wärmewiderstand vom FR-4-Dielektrikum dominiert. Thermische Durchkontaktierungen bilden Kupferkanäle über PCB-Schichten hinweg und übertragen die Wärme schnell von den Pads auf der Oberseite auf das Kupfer oder die Kühlkörper auf der unteren Schicht. Sie stellen eine der effektivsten Möglichkeiten dar, den vertikalen Wärmewiderstand zu senken.
Technische Schlüsselpunkte:
Die Menge ist wichtiger als der Durchmesser einzelner Vias. Mehrere kleine Vias übertreffen ein großes Via. Typische Implementierung: Durchkontaktierungen mit einem Durchmesser von 0,3–0,5 mm, angeordnet in Arrays mit einem Abstand von 1,0–1,5 mm unter Wärmeleitpads.
Verhindern Sie die Dochtwirkung des Lots: Durchkontaktierungen, die direkt auf den Pads landen, können Lot abziehen. Für die Massenproduktion verwenden Sie VIPPO (Via-in-Pad-Plated-Over) mit Via-Füllung und Kupferabdeckung.
Kombinieren Sie thermische Durchkontaktierungen mit soliden Erdungs- oder Stromversorgungsebenen auf der Innenschicht, um eine 3D-Wärmeableitungsstruktur zu schaffen, die Durchkontaktierungen und Ebenen kombiniert.
Verwenden Sie für Geräte mit einem Stromverbrauch von mehr als 5 W mindestens 9 thermische Durchkontaktierungen und validieren Sie die Ergebnisse durch thermische Simulation.
3. Wärmeleitpad und freiliegendes Pad (EPAD)
Grundprinzip: Gehäuse wie QFN, DFN und SOIC-EP verfügen über ein freiliegendes metallisches Die-Pad an der Unterseite, das direkt mit dem Chip-Die verbunden ist. Ein passendes Kupferpad auf der Leiterplatte sorgt dafür, dass die Wärme von der Chip-Rückseite entweicht und nicht nur über die Anschlüsse der Komponenten.
Technische Schlüsselpunkte:
Die Abmessungen des Leiterplatten-EPADs müssen den Empfehlungen im Datenblatt entsprechen und sind in der Regel etwas größer (0,1–0,25 mm Rand auf jeder Seite) als das freiliegende Pad des Gehäuses.
Leiten Sie EPAD über thermische Via-Arrays zu großen Kupferebenen auf der Unterseite oder in der Innenschicht. Die Kupferschicht auf der obersten Schicht allein bietet nur eine begrenzte Kühlleistung.
Entwerfen Sie eine Schablone mit mehreren kleinen Öffnungen (anstelle einer einzigen großen Öffnung) über EPAD, um das Lotpastenvolumen zu kontrollieren und ein Aufschwimmen oder Überbrücken von Bauteilen zu verhindern.
Gut implementiertes EPAD kann einen Wärmewiderstand von nur 1-2 Grad /W erreichen und bietet so ein hohes Kosten-Leistungs-Verhältnis für das thermische Design.
4. Metallkern-Leiterplatte (MCPCB / Aluminiumbasis-Leiterplatte)
Grundprinzip: Standard-FR-4-Substrate haben eine schlechte Wärmeleitfähigkeit. MCPCB verwendet Aluminium oder Kupfer als Kern mit einer dünnen wärmeleitenden dielektrischen Schicht (50–100 μm). Seine Gesamtwärmeleitfähigkeit erreicht 1-8 W/(m·K) und ist damit um ein Vielfaches höher als bei FR-4. Wärmeübertragung von den Komponentenpads über die dielektrische Schicht zum Metallkern und dann zum Gehäuse.
Technische Schlüsselpunkte:
Typische Anwendungen: Hochleistungs-LED-Beleuchtung, Automobilelektronik, Leistungsmodule. Die Steuerung der LED-Übergangstemperatur ist in hohem Maße auf Leiterplatten auf Aluminiumbasis angewiesen.
Die dielektrische Schicht ist der größte thermische Engpass. Priorisieren Sie die dielektrische Wärmeleitfähigkeit, anstatt sich bei der Komponentenauswahl nur auf das Grundmetallmaterial zu konzentrieren.
Höhere Kosten als FR-4. Aufgrund des leitfähigen Metallkerns ist eine komplexe Durchkontaktierung erforderlich; Mehrschicht-MCPCB ist technisch anspruchsvoll.
Alternative: teilweise in FR-4-Platinen eingebettete Kupfermünze/Kupfereinlage für ausgewogene Kosten und thermische Leistung.
5. Externe Kühlkörper und thermische Schnittstellenmaterialien (TIM)
Grundprinzip: Wenn die PCB-eigene Wärmeableitung an ihre Grenzen stößt, muss die Wärme zu größeren externen Kühlkörpern geleitet werden. Wärmeerzeugende Komponenten oder rückseitiges PCB-Kupfer kommen über TIMs mit Kühlkörpern in Kontakt, füllen mikroskopisch kleine Lücken und verdrängen Luft (Wärmeleitfähigkeit der Luft ~0,026 W/(m·K), ein schlechter Wärmeleiter).
| Typ | Wärmeleitfähigkeit | Dicke | Anwendungsszenarien |
|---|---|---|---|
| Wärmeleitpaste | 2‑8 W/(m·K) | Sehr dünn (<0.1 mm) | IGBT, CPU; Anwendungen, die eine Wiedermontage mit kontrolliertem Druck ermöglichen |
| Thermal Gap Pad | 1‑6 W/(m·K) | 0,5-5 mm | Höhenunterschiedsausgleich, elektrische Isolierung, Stoßdämpfung |
| Zweikomponentiger Thermoklebstoff | 1‑3 W/(m·K) | Anwendungsabhängig | Szenarien, die sowohl thermischen Kontakt als auch mechanische Verbindung erfordern |
| Phasenwechselmaterial | 3‑6 W/(m·K) | 0,1–0,25 mm | Schmilzt bei hohen Temperaturen zum Füllen von Lücken, gute Langzeitzuverlässigkeit |
6. Optimierung des Komponentenlayouts und Luftkanaldesign
Grundprinzip: Die vorherigen fünf Methoden konzentrieren sich auf die Wärmeleitung. Letztendlich muss die Wärme durch Konvektion und Strahlung an die Umgebung abgegeben werden. Durch die richtige Anordnung und Luftstromgestaltung kann der Wärmewiderstand des Systems ohne zusätzliche Stücklistenkosten erheblich reduziert werden.
Zusammenfassung: Systematisches Denken für thermisches Design
Beim thermischen PCB-Design geht es nicht einfach darum, einzelne Tricks zu stapeln, sondern um eine systematische Optimierung entlang der gesamten Wärmewiderstandskette:
Chip-Verbindung → Gehäuse → Lötpad → PCB-Kupfer → Durchkontaktierungen / Metallkern → Kühlkörper → Umgebung
Der Wärmewiderstand jedes Segments muss quantitativ bewertet werden. Empfohlener Arbeitsablauf:
Schätzen Sie den Stromverbrauch und die maximal zulässige Sperrschichttemperatur für jedes wärmeerzeugende Gerät.
Berechnen Sie den zulässigen Gesamtwärmewiderstand: θ_JA=(T_Jmax − T_Ambient) / P_max.
Weisen Sie das Wärmewiderstandsbudget für Gehäuse, Leiterplatte und Kühlkörper zu und identifizieren Sie Engpässe.
Kombinieren Sie die oben genannten Methoden. EPAD plus thermische Durchkontaktierungen plus großes Kupfer in der unteren Schicht bieten die kostengünstigste Basislinie. Fügen Sie Kühlkörper oder Metallkernplatinen für Hochleistungsszenarien hinzu.
Validierung durch thermische Simulation (FloTHERM, ANSYS Icepak usw.) und Kalibrierung mit Infrarot-Wärmebildmessungen.
