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Power Management Vias in Leiterplatten geschickt zur effizienten Entwärmung nutzen

Jerome Johnston *

Anbieter zum Thema

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH
CTX Thermal Solutions GmbH
IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Zweimal 20 oder einmal 40 A und maximal 100 W Leistung bei 4,5 bis 20 V Eingangsspannung liefert der Abwärtswandler ISL8240M. Im Betrieb kommt er ohne Kühlkörper oder Lüfter aus.

Die optimale Integration von Vias in das Leiterplattendesign des Power-Moduls wird immer wichtiger, um ein hohe Leistungsdichte zu erzielen.(Bild: Intersil)
Die optimale Integration von Vias in das Leiterplattendesign des Power-Moduls wird immer wichtiger, um ein hohe Leistungsdichte zu erzielen.
(Bild: Intersil)

Um höhere Ausgangsströme zu erzielen, kommen immer häufiger Mehrphasensysteme zum Einsatz, und um mehr Strom auf kleinerer Fläche bereitzustellen, entscheiden sich Entwickler verstärkt für Power-Module statt für diskrete Lösungen. Module bieten eine bessere Alternative als komplexe Stromversorgungs-Designs mit ihren Problemen beim PCB-Layout mit DC/DC-Wandlern. Nachfolgend wird ein Leiterplatten-Layout mit mehreren Schichten beschrieben, das Vias verwendet, um die Thermal Performance eines 2-Phasen-Power-Moduls zu verbessern.

Das Modul hat zwei 1-Phasen-Ausgänge mit je 20 A oder einen 2-Phasen-Einzelausgang mit 40 A. An einem Beispiel-Board-Designs mit Vias wird die höhere Leistungsdichte und Wärmeableitung vom Modul verdeutlicht. Der Betrieb ohne Kühlkörper oder Lüfter ist so möglich.

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Wie kann dieses Modul eine so hohe Leistungsdichte erzielen? Das in Bild 1 dargestellte Modul bietet einen sehr niedrigen thermischen Widerstand θJA von nur 8,5 °C/W, da es auf einem Kupfersubstrat basiert. Um die Wärme vom Modul abzuleiten, ist es direkt auf einer Leiterplatte mit hoher Wärmeleitfähigkeit montiert. Das Multilayer-Board besteht aus einer oberen Leiterplattenschicht, die das Modul trägt. Zwei darunterliegende Kupferschichten sind über Vias direkt mit der oberen Schicht verbunden. Dieser Aufbau sorgt für eine hohe Wärmeleitung, sodass die Wärme direkt vom Modul abgeführt wird.

Einem besseren Verständnis dient das Evaluierungsboard ISL8240MEVAL4Z (Bild 2): Es hat vier Schichten und unterstützt den Abwärtswandler im Dual-Ausgangsmodus mit je 20 A an jedem Ausgang. Die vier PCB-Schichten der Platine haben eine Dicke von 1,57 mm (0,062 in) (±10%); Bild 3 zeigt die Anordnung. Das Board besteht hauptsächlich aus FR4-Material und Kupfer mit kleinen Mengen Lot, Nickel und Gold. Die Tabelle listet die Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien auf. Um den Wärmewiderstand des Materials zu berechnen, nutzen wir Gleichung 1 (Bild 8).

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 14/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Um den Wärmewiderstand der oberen PCB-Kupferschicht in Bild 3 zu bestimmen, wird die Dicke der Kupferschicht (t) durch den Wärmeleitfähigkeitsfaktor dividiert und mit dem Querschnitt multipliziert. Der Einfachheit halber wurde 1 in² (645 mm²) mit den Abmessungen A=B = 1 in (25,4 mm) als Querschnitt gewählt. Die Dicke der Kupferschicht beträgt 2,8 mil oder 0,0028 in (0,0711 mm). Dies entspricht der Dicke von 2 Unzen (56,7 g) Kupfer, die auf 1 ft² (929 cm²) Leiterplattenfläche aufgebracht werden.

Der Faktor K ist der W/(in-C)-Faktor für Kupfer, der 9 beträgt. Der Wärmewiderstand dieser 1-in²-Fläche von 2,8 mil Kupfer beträgt demnach 0,0028/9 = 0,0003 °C/W. Die Abmessungen in Bild 3 können für jede Schicht verwendet werden; zusammen mit dem entsprechenden K-Faktor aus der Tabelle lässt sich der Wärmewiderstand jeder Schicht der 1-in²-PCB-Fläche berechnen. Die Ergebnisse verdeutlicht Bild 4.

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