Die Leiterplatte als Kühlkörper nutzen

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Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

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ADAM Research Berechnungen und Dienstleist.

Detailgetreue, dreidimensionale Temperaturberechnungen

Abschätzungen der Bauteiltemperatur per Handrechnung sind nur für akademische Spezialfälle möglich. In allen Fällen muss der Lagenaufbau und das Leiterbild extrem gemittelt werden: zwischen komplett isotroper Wärmeleitfähigkeit und orthotroper Näherung. Will man jedoch das Beste aus seinem Layout herausholen, sind die Details mit zu berechnen und das geht nur mit numerischen Methoden.

Adam Research hat numerische Verfahren entwickelt, mit denen detailgenaue dreidimensionale Temperaturberechnungen für Leiterplatten durchgeführt werden können. Das Leiterplattenbasismodell wird z.B. aus Gerber- und IDF-Dateien erstellt, weitere Eigenschaften aus der AVT und der Bauteilbeschreibung können hinzugefügt werden (Bild 1). Die x-y-Auflösung für ein 6-Lagen EuroFormat liegt z.Zt. bei etwa 0,5 mm, ist aber in Zukunft noch verringerbar. Durch Differenzbildung der Varianten kann man sehen, welche Maßnahme gut gemeint, aber letztendlich uneffektiv (und vielleicht teuer) ist.

Leiterbahnen als Wärmequellen

Seit den Untersuchungen über Tauchsieder, die James Joule 1841 durchführte, weiß man, dass Strom in einem elektrischen Leiter Wärme freisetzt, die proportional zum elektrischen Widerstand und dem Quadrat der Stromstärke ist. Der elektrische Widerstand einer Leiterbahn definiert sich aus Querschnitt und Länge sowie aus dem spezifischen Materialwiderstand von Kupfer so, dass ein dünner und langer Leiter einen größeren Widerstand hat als ein dicker kurzer [1].

Der Unterschied zwischen einem Tauchsieder und der Leiterplatte besteht darin, dass beim Tauchsieder das kochende Wasser den Temperaturanstieg begrenzt, bei der Leiterbahn aber eine zerstörerische Überhitzung eintreten kann. Die vielfach verwendete Design-Richtlinie IPC-2221 (früher MIL-STD-275) ist eine klassische Datenquelle für die Strombelastbarkeit von Leiterbahnen durch Gleichstrom. Die Messungen dazu stammen vom National Bureau of Standards aus den späten 1950er Jahren.

Doch Vorsicht bei unbefangener Anwendung! Der dort angegebene Temperatur-Strom-Zusammenhang gilt nur unter folgenden Bedingungen:

• Es gibt nur eine geradlinige strombelastete Leiterbahn auf der Leiterplatte.
• Die Leiterbahndicke ist 35 µm (1 oz).
• Die Leiterbahn befindet sich auf einer 2-lagigen, 1,6 mm dicken FR4-Leiterplatte in natürlicher Konvektion und freier Abstrahlung.
• Die Leiterplatte hat eine voll geflutete 35-µm-Kupferlage auf der Rückseite.

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