Wärme lässt sich nicht wegdiskutieren, sie muss irgendwo hin. Solange Platz für einen Kühlkörper oder einen Lüfter vorhanden ist, lässt sich das oft noch mit klassischen Mitteln lösen. Bei vielen modernen Baugruppen fehlt dieser Platz aber schlicht, aus Gewichts-, Kosten- oder Bauraumgründen. Dann wird die Leiterplatte selbst zum entscheidenden Bestandteil des Wärmemanagements.
Genau an diesem Punkt setzt dieser Artikel an. Wir gehen bewusst eine Ebene tiefer und schauen uns an, welche Technologie für welches thermische Problem tatsächlich die richtige ist, wo die Grenzen liegen und worauf es bei der Umsetzung ankommt.
Wann die Leiterplatte selbst zur Kühllösung wird
Solange externe Kühlkomponenten eingesetzt werden können, bleibt die Leiterplatte thermisch meist im Hintergrund. Sobald Platz, Gewicht oder Kosten das aber nicht mehr zulassen, muss die Leiterplatte die thermische Aufgabe selbst übernehmen. Das ist typischerweise dann der Fall, wenn externe Kühlkomponenten wie Kühlkörper oder Lüfter aus Platz-, Gewichts- oder Kostengründen gar nicht eingesetzt werden können. In solchen Fällen lohnt es sich für Entwickler, frühzeitig zu prüfen, ob das PCB thermisch grundsätzlich anders konzipiert werden muss, statt die Wärmeableitung nachträglich mit zusätzlichen externen Komponenten zu kompensieren.
Die passende Technologie für das jeweilige Problem
In der Praxis gibt es nicht die eine Lösung für alle thermischen Herausforderungen, sondern verschiedene Technologien, die jeweils für ein bestimmtes Problem besonders geeignet sind.
Thermal Vias
Problem:
Punktuelle Hotspots
Vorteile:
Leiten Wärme durch die Leiterplatte weg vom Hotspot, in Innenlagen und/oder auf die Rückseite
Kostengünstig
Dickkupfer-Leiterplatte (105 bis 400 µm)
Problem:
Hohe Ströme
Vorteile:
Der erhöhte Kupferquerschnitt verteilt die Wärme schnell in der Fläche
Kombiniert hohen Stromtransport mit sehr guter Wärmespreizung
IMS-Leiterplatte
Problem:
Einseitig extrem hohe Hitze
Vorteile:
Die Metallplatte wirkt als integrierter Kühlkörper
Kupfer-Inlays
Problem:
Punktuelle Hotspots, wo Thermal Vias zur Wärmeableitung nicht genügen und Dickkupfer technologisch nicht anwendbar ist
Vorteile:
Die Inlays führen die Wärme direkt unter dem Bauteil ab
Welche dieser Technologien im Einzelfall die richtige ist, hängt von vielen Faktoren ab: vom Design, von den konkreten Anforderungen, aber auch von den Kosten. Copper Coins stellen dabei die kostenintensivste Variante dar, Thermal Vias die kostengünstigste. Die eigentliche Engineering-Leistung liegt deshalb nicht darin, möglichst viele Technologien anzubieten, sondern für jedes thermische Problem die richtige Architektur zu finden und Technologien dort sinnvoll zu kombinieren, wo eine einzelne Lösung nicht mehr ausreicht. Genau deshalb lohnt es sich, das PCB-Engineering rechtzeitig ins Projekt einzubeziehen, damit gemeinsam mit dem Designer alle Aspekte berücksichtigt werden können.
Wie die Wärme möglichst direkt vom Hotspot wegkommt
Wenn ein leistungsstarker IC, FPGA, RF-Power-Amplifier, ein LED-Modul oder ein Leistungshalbleiter lokal viel Wärme erzeugt, geht es darum, den thermischen Pfad vom Bauteil über die Leiterplatte und eine allfällige Metallstruktur bis zum Kühlkörper oder Gehäuse möglichst kurz und effizient zu gestalten. Entscheidend ist dabei, den thermischen Gesamtwiderstand zu minimieren. Jeder Übergang und jede Materialschicht wirken wie ein physikalischer Engpass. Deshalb wird nicht ein einzelner Werkstoff isoliert betrachtet, sondern das Zusammenspiel aus Bauteil, Leiterplatte, Kupferstruktur, Materialsystem und Gehäuse als ein thermisch-mechanisches Gesamtsystem.
In der Praxis bedeutet das konkret: die Lötstoppmaske im Bereich der Thermopads freistellen, Thermal Vias als Laservias direkt im Lotpad platzieren und mit Kupfer füllen, sogenannte Via-in-Pad-Technologie. Bei Vias in Pad mit Durchgangsbohrung werden diese gepluggt und overplatet. Bei IMS-Leiterplatten empfiehlt sich zudem ein möglichst dünnes Dielektrikum, etwa 50 µm, mit hoher thermischer Leitfähigkeit.
Thermal Vias oder Copper Coin: wie gross ist der Unterschied wirklich
Ein Copper Coin verringert den thermischen Widerstand um etwa das Zehnfache gegenüber Thermal Vias. Der Grund dafür liegt im wärmeleitenden Querschnitt: Bei Thermal Vias beträgt die Kupferabscheidung in der Bohrung typischerweise nur 20 bis 25 µm, der Innenkern des Vias bleibt entweder leer, also mit Luft gefüllt, oder wird mit Epoxidharz gefüllt. Der wärmeleitende Querschnitt ist dadurch verschwindend gering. Kupfergefüllte Laservias schneiden zwar besser ab als klassische Thermal Vias, erreichen aber bei weitem nicht die Werte eines massiven Copper Coins. Wer also mit sehr hoher lokaler Verlustleistung konfrontiert ist, sollte diesen Unterschied bei der Technologiewahl bewusst einkalkulieren, auch wenn ein Copper Coin die kostenintensivere Lösung ist.
Warum gutes Wärmemanagement die Lebensdauer der Elektronik direkt beeinflusst
Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Zuverlässigkeit ist deutlicher, als viele annehmen. Eine Senkung der Betriebstemperatur um nur 10 Grad Celsius verdoppelt die Lebensdauer von Halbleitern und Kondensatoren. Über 50 Prozent der Elektronikausfälle sind thermisch bedingt.
Ein wichtiger Faktor dabei sind die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem PCB-Material und den Materialien der Bauteile. Bei Erwärmung dehnen sich diese unterschiedlich stark aus, was zu erheblichen Scherspannungen an den Lötstellen führen kann. Ein geeignetes Wärmemanagement vermeidet lokale Hotspots und reduziert dadurch den thermischen Stress auf die gesamte Baugruppe, von der Lötstelle bis zum Via.
Der Zielkonflikt zwischen Miniaturisierung und Wärmeabfuhr
Baugruppen sollen kleiner werden, während gleichzeitig Rechenleistung, Stromdichte und Packungsdichte steigen. Genau dadurch verschlechtert sich häufig die thermische Situation. Hier zeigt sich einer der Bereiche, in denen HDI-Strukturen mit sehr feinen Geometrien und gefüllten Blind-Vias sinnvoll mit anderen Technologien kombiniert werden können.
Eine mögliche Lösung sind T-Coins. Der kleinere Zapfen, mit Abmessungen von etwa 2,5 mal 2,5 Millimetern, wird direkt unter das Bauteil platziert und leitet die Wärme über den grösseren Teil des Coins ab. Auch Rigid-Flex-Leiterplatten bieten hier einen konstruktiven Vorteil: Auf dem starren Teil wird die heisse Elektronik platziert und lässt sich thermisch an ein Metallgehäuse koppeln, während der flexible Teil die Signalleitungen platzsparend in die nächste Lage führt. Embedding-Technologie ist bei Varioprint dagegen nur bedingt anwendbar.
Wenn Wärmemanagement auf Hochfrequenz trifft
Besonders anspruchsvoll wird es, wenn optimale Wärmeableitung gleichzeitig mit kontrollierten Impedanzen, geringen Verlusten und hoher Signalintegrität gefordert ist, etwa bei PTFE- oder Low-Loss-Materialien. HF-Materialien weisen meistens sehr schlechte thermische Eigenschaften auf, weshalb hier Hybrid-Aufbauten ins Spiel kommen.
Die kritischen HF-Signale werden dabei ausschliesslich auf den äussersten Lagen geführt, etwa Lage 1 und 2, auf einem speziellen HF-Substrat wie der Rogers RO4000-Serie. Die inneren Lagen und die Rückseite bestehen dagegen aus Standard-FR4 mit hohem Tg oder aus Dickkupfer. Bei der Oberfläche gilt es zudem, ENIG zu vermeiden: Nickel ist ferromagnetisch, hat einen hohen elektrischen Widerstand und dämpft dadurch HF-Signale stark, ein Effekt, der mit dem Skin-Effekt zusammenhängt. Geeigneter sind Oberflächen wie ENEPIG, DIG oder EPIG.
Die häufigsten Fehler im thermischen PCB-Design
Bereits beim DFM zeigen sich immer wieder dieselben Problemstellen in Kundendesigns. Ein zentraler Punkt ist die Impedanz: Sind Leiterbahnbreite und -abstand tatsächlich an das spezifische HF-Substrat des Hybrid-Aufbaus angepasst worden? Ebenso wichtig ist der Abstand der Thermal Vias zu differenziellen High-Speed-Paaren, dieser muss ausreichend gross sein. Auch der Rückstrompfad muss beim Design konsequent mitberücksichtigt werden, ebenso wie die Wahl der richtigen Endoberfläche, gerade im Zusammenhang mit HF-Anwendungen.
Wie früh der PCB-Hersteller ins Projekt eingebunden werden sollte
Bei anspruchsvollen Anwendungen sollte der PCB-Hersteller idealerweise eingebunden werden, bevor das Layout eingefroren ist. Viele der entscheidenden thermischen Weichen werden bereits bei der Bauteilplatzierung, dem Stack-up, der Materialauswahl, der Via-Architektur, der Kupferverteilung, der Positionierung von Copper Coins, der Leiterplattendicke und der mechanischen Anbindung an das Gehäuse gestellt. Sind diese Entscheidungen einmal fixiert, lassen sie sich später meist nur noch mit erheblichem Aufwand korrigieren.
Varioprint bringt in dieser frühen Phase das eigene Know-how in Layout- und Stack-up-Optimierungen ein und unterstützt bei der Beurteilung des PCB-Wärmemanagements. Thermische Simulationen selbst gehören dabei allerdings eher nicht zum Leistungsumfang. Gerade bei Aerospace-, Defence- und High-End-Elektronik sollte der PCB-Hersteller deshalb nicht erst als Fertiger ins Spiel kommen, sondern frühzeitig als Engineering-Partner in die Entwicklung eingebunden werden.
Wohin sich die Technologie weiterentwickelt
Die Zukunft des PCB-Wärmemanagements gehört nicht einer einzelnen Technologie. Sie gehört der intelligenten Kombination aus HDI, kupfergefüllten Microvias, Dickkupfer, massiven lokalen Kupferstrukturen, Metallbasen und einer konsequenten thermischen Anbindung an das Gehäuse. Mit leistungsfähigeren Prozessoren, RF-Power, GaN- und SiC-Technologien, höheren Strömen und immer kompakteren Systemen wachsen elektrisches, thermisches und mechanisches Design zunehmend zusammen.
Gleichzeitig gewinnt, gerade für Europa und die USA, ein weiterer Faktor an Bedeutung: eine belastbare und kontrollierbare Lieferkette. In der Aerospace-, Defence- und Space-Branche sowie bei anderer sicherheitskritischer Elektronik zählt deshalb nicht allein der Stückpreis. Entscheidend sind technisches Know-how, IP-Schutz, Rückverfolgbarkeit, reproduzierbare Prozesse, langfristige Verfügbarkeit und kurze Wege zwischen Entwicklung und Produktion. Eine High-End-Fertigung in der Schweiz kann hier einen strategischen Vorteil bieten: Engineering und Produktion bleiben räumlich und technologisch nah beieinander, Prozesse lassen sich eng kontrollieren, und kritisches Fertigungswissen bleibt im direkten Umfeld der Entwicklung.
Fazit: Technologie beherrschen statt nur anbieten
Bei High-Reliability-Elektronik lautet die entscheidende Frage am Ende nicht nur, ob sich eine bestimmte Leiterplatte fertigen lässt. Sie lautet, ob die Technologie so tief beherrscht wird, dass sie auch morgen noch reproduzierbar und zuverlässig gefertigt werden kann. Genau darin liegt der Unterschied zwischen einer Leiterplatte, die thermisch irgendwie funktioniert, und einer, die auch unter Dauerbelastung zuverlässig bleibt.
