Ein PCB-Kühlkörper unterstützt die Wärmeabfuhr von einem Bauteil an die Umgebungsluft oder ein Chassis. Seine Leistung hängt vom gesamten Wärmepfad ab. Ein Kühlkörper, der an freier Luft funktioniert, kann sich in einem Gehäuse anders verhalten. Bei einem Bauteil, das den größten Teil seiner Wärme über die Unterseite abgibt, kann ein Wärmepfad von der Leiterplatte zum Chassis mehr bringen als ein Kühlkörper auf der Oberseite.

Verfolgen Sie den Wärmepfad vom Bauteil zum vorgesehenen Kühlkörper und weiter an die Umgebung. Prüfen Sie diesen Pfad unter den tatsächlichen Montage-, Luftströmungs-, Gehäuse- und Betriebsbedingungen.

Wärmepfade aus dem Bauteil ermitteln

Ein Bauteil kann Wärme gleichzeitig über mehrere Wege abgeben. Die Leiterplatte kann dabei den Hauptwärmepfad bilden, einen unterstützenden Beitrag leisten oder einen parallelen Pfad zu einem an anderer Stelle angebrachten Kühlkörper darstellen. Gehen Sie nicht davon aus, dass jedes Watt dieselbe Folge von Materialien durchläuft.

Drei Anordnungen bieten einen geeigneten Ausgangspunkt:

Am Bauteil montierter Kühlkörper: Der Kühlkörper kontaktiert eine geeignete Oberfläche des Bauteilgehäuses, in der Regel über ein Wärmeleitmaterial (Thermal Interface Material, TIM). Die Wärme gelangt durch das Gehäuse und die Grenzfläche in den Kühlkörper und wird anschließend an die Umgebung abgegeben. Prüfen Sie, ob die Gehäuseoberfläche für diesen Zweck vorgesehen ist und ob das Gehäuse die Befestigungsmethode verträgt.
An die Leiterplatte gekoppelter Kühlkörper: Die Wärme gelangt vom Bauteil in das Kupfer der Leiterplatte, gegebenenfalls durch thermische Vias, und weiter in einen Kühlkörper oder eine andere an die Leiterplatte gekoppelte Kühlfläche. Kupfer, Vias, Leiterplattenaufbau und Kontaktfläche beeinflussen diesen Pfad.
Wärmepfad zum Chassis: Die Wärme erreicht über eine Grenzfläche am Bauteilgehäuse oder an der Leiterplatte sowie über die Montageanordnung ein Gehäuse oder Chassis. Das Chassis muss die Wärme unter realistischen Bedingungen an seine Umgebung abgeben können; seine mechanische Größe allein belegt keine ausreichende Kühlung.

Diese Ansätze können gleichzeitig zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann ein oben montierter Kühlkörper einen Teil der Wärme abführen, während die Leiterplatte den Rest zu nahegelegenen Befestigungspunkten leitet. Die Aufteilung ändert sich mit dem Aufbau und den Randbedingungen. Wer die Pfade als eine einzige feste Reihenkette behandelt, kann daher zu einer falschen Auslegungsentscheidung gelangen.

Eingangsgrößen vor der Kühlkörperauswahl erfassen

Beginnen Sie mit dem Bauteil und den Bedingungen, denen es in der Baugruppe ausgesetzt sein wird.

Wärmequelle und Verlustleistung. Ermitteln Sie jedes relevante wärmeerzeugende Bauteil und seine Verlustleistung über das Betriebsprofil. Die elektrische Eingangsleistung entspricht nicht automatisch der im Bauteil entstehenden Wärme: Berücksichtigen Sie die an anderer Stelle abgegebene Leistung und weiteres bauteilspezifisches Verhalten. Erfassen Sie Spitzen- und Dauerbetrieb sowie Tastverhältnisse, einschließlich benachbarter Wärmequellen, die dieselbe Leiterplatte oder Luft erwärmen können.

Temperaturgrenze und Referenz. Legen Sie anhand der geltenden Bauteildokumentation die zulässige Sperrschichttemperatur oder den vorgegebenen Grenzwert am Messpunkt fest, einschließlich einer für das Projekt erforderlichen Reserve. Halten Sie fest, wo die Temperatur tatsächlich gemessen werden kann. Messwerte an der Gehäuseoberseite, an der Leiterplatte und die Umgebungstemperatur sind nicht untereinander austauschbar.

Gehäuse und thermische Angaben. Bestimmen Sie, wo Wärme in das Bauteilgehäuse eintreten oder es verlassen kann und welche thermischen Kenngrößen für die vorgesehene Abschätzung gelten. Gehäuseaufbau, freiliegende Wärmeableitpads und das vom Bauteilhersteller empfohlene Leiterplattenlayout können darüber entscheiden, ob ein oben montierter oder ein an die Leiterplatte gekoppelter Ansatz plausibel ist.

Umgebung und Gehäuse. Definieren Sie die ungünstigste realistisch zu erwartende Umgebungstemperatur am Betriebsort der Baugruppe. Berücksichtigen Sie, wie sich die Erwärmung des Gehäuses, benachbarte Bauteile und eingeschränkte Öffnungen auf die Luft auswirken, die den Kühlkörper erreicht. Die Umgebungstemperatur für eine Berechnung oder Prüfung sollte einheitlich definiert sein; die Raumtemperatur außerhalb eines geschlossenen Gehäuses entspricht nicht zwangsläufig der Lufttemperatur um das Bauteil.

Bauraum, Luftströmung und Orientierung. Erfassen Sie den verfügbaren Bauraum für Kühlkörper, Grenzfläche und Befestigungselemente. Berücksichtigen Sie Sperrflächen, Montagezugang und Luftströmungswege. Die Orientierung kann die natürliche Konvektion beeinflussen, während Lüfter, nahegelegene Hindernisse und Luftrezirkulation die erzwungene Luftströmung verändern können. Ein veröffentlichter Kennwert des Kühlkörpers ist an die Prüfbedingungen des Herstellers gebunden; diese können erheblich von denen der eingebauten Baugruppe abweichen.

Installations- und elektrische Randbedingungen. Ermitteln Sie zulässige Befestigungsflächen, Anforderungen an die elektrische Isolation, Abstände und zulässige mechanische Lasten. Entscheiden Sie, ob Leiterplatte oder Bauteilgehäuse gegen Montagekräfte und Belastungen bei der Handhabung abgestützt werden müssen. Der beste thermische Kontakt nützt nichts, wenn der Einbau einen elektrischen Fehler verursacht oder die Baugruppe mechanisch belastet.

Thermisches Budget erstellen, ohne Kenngrößen zu vermischen

Ein thermisches Budget setzt die Verlustleistung mit dem Temperaturanstieg in Beziehung, den die Auslegung zulässt. Ziehen Sie zunächst die relevante Referenztemperatur von der zulässigen Sperrschicht- oder Messpunkttemperatur ab. Daraus ergibt sich der verfügbare Temperaturanstieg für die gewählte Bedingung. Der Wärmepfad muss das Bauteil dann bei der realistisch zu erwartenden Verlustleistung innerhalb dieses Budgets halten.

Für einen beispielhaften einzelnen Reihenpfad lässt sich ein Temperaturanstieg abschätzen, indem der Wärmestrom mit der Summe der zutreffenden Wärmewiderstände multipliziert wird. Diese Näherung ist nur dann sinnvoll, wenn die Widerstände den tatsächlichen Pfad beschreiben, ihre Randbedingungen übereinstimmen und die über parallele Wege fließende Wärme berücksichtigt wurde. Ein Pfad vom Bauteilgehäuse über den Kühlkörper zur Luft bildet nicht automatisch das gesamte System ab, wenn auch die Leiterplatte erhebliche Wärme abführt.

Bei Kenngrößen aus dem Gehäusedatenblatt ist besondere Vorsicht geboten:

Addieren Sie den im Datenblatt angegebenen Wärmewiderstand von der Sperrschicht zur Umgebung, RθJA, nicht zu einem separaten Wärmewiderstand des Kühlkörperpfads. RθJA bezieht sich auf eine definierte Testleiterplatte und Umgebung und kann sich je nach Leiterplattenaufbau, Luftströmung und Umfeld stark ändern. Wird ein Kühlkörperpfad hinzugerechnet, als handle es sich um einen reinen Gehäusewiderstand, kann der Wärmefluss doppelt erfasst oder falsch dargestellt werden.
Behandeln Sie einen Psi-Kennwert nicht als Wärmewiderstand. Ein thermischer Charakterisierungsparameter setzt eine Abschätzung der Sperrschichttemperatur unter den jeweils definierten Bedingungen zu einer vorgegebenen Referenzmessung in Beziehung; er ist nicht mit einem Widerstand für ein beliebiges Reihennetzwerk austauschbar.
Ordnen Sie jede Kenngröße ihrer Referenztemperatur und Definition zu. Ein für einen bestimmten Messpunkt oder eine bestimmte Prüfbedingung vorgesehener Wert sollte ohne Anleitung des Herstellers nicht auf einen anderen Fall angewendet werden.

Texas Instruments erläutert in Semiconductor and IC Package Thermal Metrics, SPRA953D, die Abhängigkeit der Gehäusekenngrößen von ihren Prüfbedingungen und den Unterschied zwischen Widerständen und Charakterisierungsparametern. Befolgen Sie die Anleitungen des Bauteilherstellers zur Messung und Modellierung. Eine Abschätzung dient der Vorauswahl; sie belegt nicht die Leistung im eingebauten Zustand, wenn die Aufteilung des Wärmeflusses oder die Randbedingungen unbekannt sind.

Wärmepfad auf der Leiterplattenseite auslegen

Kupfer kann Wärme von einem Bauteil weg verteilen und zu einem Kühlkörper, einem Chassiskontakt oder einem anderen Bereich der Leiterplatte leiten. Seine Wirksamkeit hängt von der verfügbaren Kupfergeometrie, den Lagenverbindungen, benachbarten Wärmequellen und den Stellen ab, an denen Wärme die Baugruppe verlassen kann. Eine große Kupferfläche in einem warmen Gehäuse kann Wärme verteilen, ohne ausreichend davon abzugeben.

Thermische Vias können Kupferbereiche auf verschiedenen Lagen verbinden und helfen, Wärme von einem freiliegenden Wärmeableitpad oder einem anderen Bauteilkontakt wegzuleiten. Ihr Beitrag hängt vom vollständigen Lagenaufbau und den Fertigungsdetails ab. Mehr Vias garantieren keine lineare Verbesserung: Der begrenzende Schritt kann stattdessen die Grenzfläche zum Bauteilgehäuse, die Wärmeverteilung im Kupfer, der Kontakt zwischen Leiterplatte und Kühlkörper oder die Wärmeabgabe außerhalb der Leiterplatte sein.

Informationen zu Optionen für den Leiterplattenaufbau finden Sie auf der Auswahlseite für High-Thermal-Leiterplatten von APTPCB. Wenn Vias in ein lötbares Pad münden, erläutert der Fertigungsleitfaden für Via-in-Pad die damit verbundenen Fertigungs- und Bestückungsentscheidungen.

Stimmen Sie das Layout auf die Anforderungen von Fertigung und Bestückung ab:

Legen Sie fest, welche Kupferlagen die Vias verbinden und ob diese Verbindungen elektrisch zulässig sind. Für ein Wärmeleitpad oder einen Chassiskontakt kann ein bestimmtes elektrisches Potenzial vorgegeben oder eine Isolation erforderlich sein.
Dokumentieren Sie die Lage der Vias relativ zu lötbaren Pads. Vias in oder nahe einem Pad können bei der Bestückung Lot abziehen und dadurch die Lötstelle beeinträchtigen. Vereinbaren Sie eine geeignete Behandlung mit den für Fertigung und Bestückung Verantwortlichen, statt anzunehmen, dass jedes Via mit Kupfer gefüllt oder anderweitig verschlossen ist.
Erhalten Sie die für das Bauteil erforderliche lötbare Fläche und die Anschlussdetails. Thermische Änderungen dürfen weder die elektrische Funktion noch die Fertigbarkeit des Pads beeinträchtigen.
Prüfen Sie Lagenaufbau, Kupferstrukturen und Via-Details vor der Freigabe auf ihre Eignung für den vorgesehenen Prozess. Eine Zeichnung mit der alleinigen Angabe „thermische Vias hinzufügen“ lässt wichtige Entscheidungen offen.
Berücksichtigen Sie, wie die Leiterplatte am Kontakt zum Kühlkörper oder Chassis abgestützt wird. Eine thermische Grenzfläche kann übermäßige Durchbiegung der Leiterplatte, schlechte Ausrichtung oder beim Einbau verlorenen Kontakt nicht ausgleichen.

NXP AN11753 enthält Hinweise zu Vias und Kühlkörpern für ein bestimmtes Bauteil. Texas Instruments TIDA030 veranschaulicht ebenfalls einen bauteilspezifischen Wärmepfad. Wenden Sie diese Hinweise auf die jeweils behandelten Bauteile und Bedingungen an, statt ihre Abmessungen oder Leistungswerte als allgemeingültig zu betrachten.

Grenzfläche und Montage aufeinander abstimmen

Ein Kühlkörper benötigt reproduzierbaren Kontakt zu der Oberfläche, die er kühlen soll. TIM füllt Unebenheiten zwischen den Kontaktflächen aus. Sein Verhalten im eingebauten Zustand hängt jedoch vom gewählten Material, der Kontaktfläche, der Schichtdicke und den Montagebedingungen ab. Eine Zeichnung sollte festlegen, wie die Grenzfläche aufgebracht oder eingebaut wird, und nicht nur eine Materialfamilie nennen.

Prüfen Sie Ebenheit und Toleranzen von Bauteilgehäuse, Leiterplatte, Kühlkörper und einem etwaigen Chassiskontakt. Bestimmen Sie, wie die Befestigungselemente den Kontakt herstellen und ob sie die Last dort einleiten, wo Bauteilgehäuse und Leiterplatte sie sicher aufnehmen können. Berücksichtigen Sie mechanische Sicherung, Montagezugang und jede erforderliche Abstützung gegen Durchbiegung. Verlassen Sie sich nicht auf einen angenommenen Anpressdruck oder eine Schichtdicke, die sich bei der Montage nicht zuverlässig erreichen lassen.

Die elektrische Isolation kann eine weitere Grenzfläche im Wärmepfad hinzufügen. Wenn Isolation erforderlich ist, beurteilen Sie die gesamte Grenzflächen- und Montageanordnung sowohl hinsichtlich der thermischen als auch der elektrischen Anforderungen, einschließlich der Abstände und der Befestigungselemente selbst. Eine Isolationsschicht ersetzt nicht die Überprüfung der montierten Ausführung.

Eine eingehendere Betrachtung der Materialauswahl finden Sie unter Auswahl von Wärmeleitmaterialien. LED-spezifische optische, montagebezogene und thermische Aspekte behandelt PCB-Wärmemanagement für LEDs.

Hypothetischer Vergleich: Kühlkörper oben oder Wärmepfad von der Leiterplatte zum Chassis?

Hypothetisches Szenario: Ein Entwickler integriert ein Leistungsbauteil, das keine LED ist, in eine geschlossene Baugruppe. Oberhalb des Bauteilgehäuses ist etwas Platz vorhanden, und ein Teil der Leiterplatte liegt nahe einer Montagefläche am Chassis. Sowohl ein oben montierter Kühlkörper als auch ein Wärmepfad von der Leiterplatte zum Chassis erscheinen mechanisch möglich. Ein Kühlergebnis wird nicht vorausgesetzt.

Ein oben montierter Kühlkörper kommt infrage, wenn die Bauteildokumentation die Wärmeübertragung über die Gehäuseoberfläche unterstützt, der Kühlkörper befestigt werden kann, ohne das Gehäuse zu beschädigen, und eine ausreichende Luftströmung ihn erreichen kann. Der Entwickler sollte außerdem prüfen, ob das Gehäuse genügend Platz um die Kühlrippen lässt und ob benachbarte Bauteile die Luft vorwärmen oder ihre Strömung behindern.

Ein Wärmepfad von der Leiterplatte zum Chassis kommt infrage, wenn das Bauteilgehäuse Wärme wirksam in die Leiterplatte übertragen kann, Lagenaufbau und Kupfer sie zum Kontakt leiten können und die Grenzfläche zum Chassis praktikabel ist. Der Entwickler muss die Leiterplattenabstützung, Grenzflächentoleranzen, elektrische Isolation und die Wärmeabgabe des Chassis in der Einbauumgebung prüfen.

Keine der beiden Optionen sollte allein deshalb gewählt werden, weil sie mehr sichtbares Metall bietet. Das Bauteilgehäuse kann einen Weg begünstigen, während Gehäusebedingungen oder Montagevorgaben für den anderen sprechen. Ein kombinierter Ansatz kann eine Prüfung wert sein, wenn jeder Pfad mechanisch und elektrisch kompatibel ist.

Checkliste der Entscheidungsgrundlagen:

Verlustleistung des Bauteils über das Betriebsprofil, zulässige Temperatur und geltende Hinweise zum Bauteilgehäuse.
Vorgesehene Wärmeübertragungsflächen und Definitionen der verwendeten thermischen Kenngrößen.
Lagenaufbau, Kupfer- und Via-Details der Leiterplatte für die an das Chassis gekoppelte Option.
Abmessungen und Toleranzen von Kühlkörper, Grenzfläche und Befestigung für jede Option.
Gehäuseorientierung, Luftströmung und realistisch zu erwartende Umgebungsbedingungen.
Ein Mess- oder Modellierungsplan, der jede eingebaute Konfiguration einschließlich paralleler Wärmepfade abbildet.
Vereinbarte Abnahmekriterien und eine verantwortliche Person für die Klärung von Fehlern oder Abweichungen.

Eingebaute Baugruppe validieren

Planen Sie die Validierung sowohl für transiente als auch für stationäre Betriebsbedingungen. Ein kurzer Betriebsvorgang mit hoher Verlustleistung kann eine Temperaturspitze erzeugen, die ein langfristiger Mittelwert verdeckt. Umgekehrt kann sich bei einer Auslegung, die eine kurze Prüfung besteht, im Dauerbetrieb dennoch Wärme anstauen. Definieren Sie die Betriebsabfolge und das Kriterium für die Beurteilung, ob sich die Temperaturen stabilisiert haben; gehen Sie nicht davon aus, dass eine der beiden Prüfungen die andere ersetzt.

Platzieren und dokumentieren Sie die Messpunkte so, dass sich die ermittelten Temperaturen anhand der geltenden Bauteilhinweise interpretieren lassen. Erfassen Sie für jedes Ergebnis den Betriebszustand der Wärmequelle, die Umgebungsreferenz, Gehäusekonfiguration, Orientierung, Luftströmung und Montagezustand. Wenn sich die Sperrschichttemperatur nicht direkt messen lässt, verwenden Sie das vom Hersteller vorgegebene Verfahren und nennen Sie die Annahmen und die Unsicherheit der Abschätzung.

Weitere Hinweise zur Interpretation von Oberflächentemperaturen finden Sie unter Wärmebildaufnahmen von Leiterplatten.

Beobachtetes Problem	Prüfung auf Systemebene	Benötigte Nachweise
Die Bauteiltemperatur steigt im Dauerbetrieb	Gehäuseluft, Behinderungen der Luftströmung, Kühlkörperkontakt und andere Wärmequellen prüfen – nicht nur die Größe des Kühlkörpers	Aufzeichnungen zu Betriebsverlustleistung, Umgebungs- und lokalen Temperaturen, Einbaukonfiguration und Kontaktprüfung
Ein kurzer Betriebsvorgang erzeugt eine Temperaturspitze	Tatsächliche Verlustleistung und Dauer, thermische Masse und Ansprechverhalten der Messung prüfen	Zeitlich aufeinander abgestimmtes Betriebsprofil und Temperaturmessungen mit Lage der Messpunkte
Die Leiterplatte nahe dem Bauteil ist heiß, der Chassiskontakt dagegen kühler	Kupfer- und Via-Pfad, Kontaktposition, Passung der Grenzfläche und Leiterplattenabstützung prüfen	Lagenaufbau und Layout, Grenzflächenabmessungen, Nachweise zum Kontakt im montierten Zustand und Temperaturen an definierten Punkten
Ergebnisse variieren zwischen Baugruppen	TIM-Auftrag, Toleranzen, Montagereihenfolge und Gleichmäßigkeit der Luftströmung prüfen	Montageaufzeichnungen, Spezifikationen für Grenzfläche und Befestigungselemente, Prüfaufbau und gemessene Streuung

Benennen Sie vor Beginn der Prüfungen eine verantwortliche Person für den Validierungsplan. Diese Person sollte sicherstellen, dass Bedingungen und Abnahmekriterien vereinbart sind, Ergebnisse anhand der Bauteil- und Projektgrenzwerte geprüft werden und Änderungen kontrolliert erfolgen. Verantwortliche für Bauteil, Mechanik, Leiterplatte und Montage müssen gegebenenfalls unterschiedliche Aspekte eines Fehlers klären. Eine Prüfung des Fertigungs- oder Bestückungsprozesses allein belegt nicht, dass das fertige Produkt seine thermischen Anforderungen erfüllt.

Checkliste für die Projektübergabe

Dokumentieren Sie den vorgesehenen Wärmepfad und seine Annahmen in den Freigabeunterlagen, damit die zuständigen Verantwortlichen spätere Änderungen beurteilen können. Nehmen Sie Folgendes auf:

Wärmequellen: Bauteilidentifikation, Verlustleistung, Betriebszustände und Tastverhältnisprofil mit Quelle jeder Annahme.
Bauteilgrenzwerte: Zulässige Sperrschicht- oder Messpunkttemperatur, Hinweise zur Wärmeübertragung über das Bauteilgehäuse, Definitionen thermischer Kenngrößen und deren Referenztemperaturen.
Leiterplattenpfad: Lagenaufbau, Kupfergeometrie, Pad- und Via-Details, elektrische Verbindungen sowie alle Fertigungs- oder Bestückungsanforderungen mit Einfluss auf Lot oder Kontakt.
Kühlkörper und Grenzfläche: Abmessungen, Kontaktflächen, TIM-Spezifikation, vorgesehene Schichtdicke, Befestigungsmethode, Ebenheit und Montagetoleranzen.
Elektrische und mechanische Randbedingungen: Isolation, Abstände, Befestigungselemente, Leiterplattenabstützung, Montagelasten und Zugangsanforderungen.
Umgebung: Gehäusekonfiguration, Orientierung, Luftströmung, Chassiskontakte und realistisch zu erwartende Umgebungsbedingungen.
Validierung: Messpunkte, Betriebsabfolge, transiente und dauerhafte Betriebsbedingungen, Abnahmekriterien, Messmethode und verantwortliche Person.
Änderungskontrolle: Welche Alternativen für Kühlkörper, TIM, Befestigungselemente, Leiterplatte, Gehäuse oder Luftströmung eine Überprüfung und erneute Validierung erfordern und wer sie freigibt.

Wenn Sie die Leiterplatte mit APTPCB besprechen, teilen Sie Angaben zu Wärmequellen und Verlustleistung, Lagenaufbau und Vias sowie zu Kühlkörper- und Montageschnittstellen mit. Kontaktieren Sie APTPCB oder fordern Sie ein Angebot an und nennen Sie die Validierungsanforderungen. Klären Sie für Ihr Projekt den Umfang einer etwaigen Kühlkörpermontage oder thermischen Prüfung.