Grundlagen

Wärmemanagement mit Wirkung

Ziel eines optimalen Wärmemanagements ist das Vermeiden von kritischen Temperaturen inmitten von Bauteilen und Baugruppen. Die Bauelemente müssen innerhalb ihrer vorgeschriebenen Temperaturbereiche betrieben werden können.

Der Leiterplatte kommt beim Wärmemanagement dabei eine besonders wichtige Bedeutung zu. Bereits in der Konstruktions- und Entwicklungsphase muss über geeignete Maßnahmen zur Wärmeableitung nachgedacht werden. Spätere Änderungen und Adaptionen wirken sich in der Regel kostspielig aus. Für die Konstruktionen zur Entwärmung von Bauelementen stehen unterschiedliche Möglichkeiten zur Verfügung. Sie müssen immer individuell ausgeführt werden und sie müssen sich nach den unterschiedlichen Anforderungen der Baugruppe richten:

  • Menge der abzuführenden Wärme
  • Verfügbarer Platz/Abmessung der Bauteile
  • Kontaktierungsart der Bauelemente

Bei der Betrachtung des thermischen Managements kann man Analogien zwischen Elektrotechnik und Wärmetechnik erkennen. So sind Spannung und Temperaturdifferenz, elektrischer Strom und Wärmestrom sowie elektrischer Widerstand und Wärmewiderstand durchaus vergleichbar. Dies ist in der folgenden Formel dargestellt:

Der Wärmewiderstand (Rth) ist unter anderem eine Funktion der Dicke (d), des beteiligten Mediums sowie der Wärmeleitfähigkeit des Stoffes (λ) und der für die Wärmeleitung zur Verfügung stehenden Fläche (A).

Die drei Arten der Wärmeübertragung

Bei elektronischen Systemen wird die entstehende Wärme in erster Linie über drei Wege abtransportiert: Strahlung, Konvektion (Wärmeübertragung)und Konduktion (Wärmeleitung).

Auf die Konduktion nimmt die Konstruktion der Leiterplatte den größten Einfluss. Ziel ist es, von der Wärmequelle einen möglichst guten thermischen Pfad mit guter Wärmeleitung zur Wärmesenke zu schaffen. Dabei wirkt sich die Größe der Oberfläche positiv aus.

Für das thermische Management hat sich in der Praxis das frühzeitige Einplanen von Entwärmungstechniken in die Konstruktion der Leiterplatte und der Baugruppe bewährt. Dadurch soll zum einen der Leiterplattenaufbau bezüglich Effektivität und Preis optimiert werden. Zum anderen soll eine aufwendige nachträgliche Designänderung vermieden werden.