Wärmemanagement mit Widerständen

PCB-montierte Komponenten

Axiale Leistungswiderstände geben den Großteil der erzeugten Wärme an die Umgebungsluft ab, während die oft bevorzugten SMD-Alternativen etwa 70 bis 90 % ihrer Wärme an die Leiterplatte selbst ableiten. Durch den Übergang, in den letzten Jahren zunehmend THR-Komponenten in SMD-Varianten zu überführen, hat sich der Fokus entsprechend verlagert. Die thermische Analyse befasst sich daher nicht mehr nur mit einzelnen Komponenten, sondern muss auf der Baugruppenebene betrachtet werden. Widerstandshersteller tragen diesem Wandel Rechnung, indem sie neue Methoden zur Darstellung thermischer Daten auf Komponentenebene entwickeln.

Die erste Phase des Wärmemanagements besteht darin, zu bestimmen, wohin die Wärme der Bauelemente abgeleitet werden soll. In der Regel ist dies die Luft, die das Endprodukt umgibt. Doch wie gelangt die Wärme von den Bauelementen über die Baugruppe dorthin?

Die gängigsten Methoden sind:

Von Haus aus vorhandener Kühlkörper: Metallteile oder Gehäuse, die bereits aus strukturellen oder schützenden Gründen vorhanden sind. Muss nicht optimal sein, würde jedoch keine weiteren Kosten oder auch Gewicht verursachen
Zusätzlicher Kühlkörper: speziell auf die Anwendung abgestimmt, normalerweise metallisch, mit ausreichend großer Oberfläche
Die Platine: effektive Verwendung der Platine selbst als Kühlkörper, insbesondere der Kupferstrukturen
Luft: direkte Übertragung, entweder durch Konvektion oder mit der Unterstützung eines Lüfters
Heatpipes und Wärmepumpen: Speziallösungen für Nischenanwendungen wie z.b. Prozessoren, wird hier jedoch nicht behandelt

Beispiel von Widerstandsformaten für Luftkühlung und Kühlung durch die Platine

Leistungswiderstände (Power Resistors): In der Regel in einem Ohmbereich >= 1Ω, wird für einen Spannungsabfall, eine Einschaltstromreduzierung und Fehlerstrombegrenzung oder auch Entladeanwendung verwendet.

Luftkühlung: Thermisch gesehen entspricht die Luftkühlung einem Axialwiderstand, der über eine große Oberfläche zur Wärmeabstrahlung verfügt. Mit der hier gezeigten „ZI“-Terminierung wird ein größerer Abstand zur Platine erreicht, wodurch die thermische Verbindung zur Leiterplatte unterbunden oder reduziert wird.

Platinenkühlung: Diese Methode ist darauf optimiert, eine maximale Wärmeableitung auf die Platine zu ermöglichen. Die Verwendung von Aluminiumnitrid (AlNi) als Keramikmaterial bietet eine deutlich bessere Wärmeleitung im Vergleich zu anderen herkömmlichen Materialien. Großflächige Pads im Verhältnis zur gesamten Bauteilgröße leiten die Wärme effizient in das Kupfer der Leiterbahnanbindung ab.

Shunt-Widerstände: Sie werden in der Regel mit sehr kleinen Ohm-Werten eingesetzt, um meist hohe Ströme in messbare Spannungen umzuwandeln.

Luftkühlung: Das Widerstandselement ist erhoben und hat eine große Oberfläche mit einer unterbundenen bzw. begrenzten thermischen Verbindung zur Leiterplatte.

Platinenkühlung: Das Widerstandselement hat eine reduzierte Oberfläche. Optimierte Materialien und ein angepasstes Pad-Design, eventuell mit invertierter Anbindung, sorgen für eine maximale Wärmeableitung in die Platine.

Das Hauptproblem bei der Bewertung der Leistungsnennwerte von Widerständen, die ihre Wärme an die Leiterplatte abgeben sollen, ist nicht mehr allein eine Frage des Widerstandsdesigns.

Im linken Beispiel sieht man einen 1W-2512-Chip-Widerstand, der auf Pads und Leiterbahnen verlötet ist – dabei wird davon ausgegangen, dass die Wärmeableitung auf diese Weise funktioniert. Im mittleren Bild: Man könnte auch einen 2W-Widerstand in gleicher Größe verwenden, wenn die Pads deutlich größer sind. Die Frage bleibt jedoch, wie die Pads für einen 5W-Widerstand dimensioniert sein müssten, um eine ausreichende Wärmeableitung zu gewährleisten (rechtes Bild).Tatsächlich werden Widerstände mit sehr hoher Leistung im Vergleich zur Größe angeboten, deren Testboards entsprechend riesige Pads aufweisen. Bleibt die Frage, ob das in der Praxis funktioniert. Letztendlich ist das Bauteil virtuell so groß wie die Pads, mit Miniaturisierung hat das jedoch wenig zu tun bzw. ist Vergleichbares im Design nicht durchführbar.

Diese Art der Lösung ist komplex, da die erforderlichen Daten häufig unvollständig sind und nicht ins Layout passen. Bei geringeren Leistungen mag dies noch funktionieren, jedoch wird es bei höheren Anforderungen problematisch:

Bestimmung der „verbundenen Kupferfläche“ mit dem Lötpad: Diese Fläche ist die Fläche, die noch einen ausreichenden Einfluss auf die Ableitung der Wärme hat bzw. einen Kühlkörper darstellt. Idealerweise berücksichtigt man die Stärke der Leiterbahn, also letztendlich das Gewicht des Kupfers.

Die „verbundene Kupferfläche“ ist im Allgemeinen die des Lötpads zzgl. zwei Quadrate des Kupfers in jede Richtung wie im Bild zu erkennen ist. Je breiter die Leitbahn desto länger ist die „verbundene Fläche“.

Leiterbahnen mit "verbundenen Flächen"

Wenn die maximal zulässige Temperatur bei voller Leistung überschritten wird, wird die herkömmliche Kennlinie der maximalen Leistung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur (Ambient Temperatur Derating) herangezogen. Dabei wird der Widerstand sowie ein definierter Teil der Leitplatte als konvektionsgekühltes Element charakterisiert. Diese Einheit kann auch als Widerstand mit THR-Terminierung betrachtet werden.

Die eher bevorzugte Lösung für SMD-Widerstände im oberen Leistungsbereich lautet wie folgt:

Zunächst wird die Nennleistung unter Berücksichtigung einer bestimmten maximalen Temperatur an der Terminierung bestimmt. Dabei isoliert man den Widerstand, der die Wärme vom Hotspot der Wärmeentwicklung – in der Regel dem Widerstandselement (Chip) – über die Leiterbahnen bis zur Platine abgibt. Die Temperatur an der Terminierung kann durch eine beliebige Kombination aus Selbsterhitzung, Wärme von umliegenden Komponenten und dem Kühlungseffekt der Leiterplatte erreicht werden.

Die Situation ist nun wieder so, dass die Nennleistung nur eine Funktion des Widerstandes selbst ist.

Methoden der Wärmeverteilung auf Leiterplatten

Thermische Vias – thermische Kontakte zwischen den Schichten, oft in Arrays, um die Wärme von einer Schicht in die andere zu leiten
Thermische Ebenen – große Kupferflächen, die in erster Linie der Wärme- und nicht der Stromleitung dienen
Breite Leiterbahnen – Leiterbahnen zur Stromleitung, aber überdimensioniert, um den Wärmefluss zu unterstützen
Durch Kupferstreifen verstärkte Leiterbahnen – ein teurer lokaler Problemlöser, eher bei Halbleiter im höheren Leistungsbereich verwendet

Alle diese Methoden sind elektrisch leitfähig. Tatsächlich kann es zu unerwünschten Stromzirkulationen kommen. Insbesondere bei hohen Frequenzen können solche Zirkulationen EMV-Probleme verursachen, wie zum Beispiel bei der Kühlung von MOS-FETs in Stromversorgungen.

Thermische Jumper-Chips (TJCs) wurden entwickelt, um einen elektrisch isolierenden Wärmeweg bereitzustellen. Sie ermöglichen es Entwicklern, den Wärmefluss unabhängig vom Stromfluss zu steuern. Die Chips bestehen aus metallischen Anschlüssen, die auf einem Aluminiumnitridsubstrat montiert sind, und bieten eine bis zu 15-mal höhere Wärmeleitfähigkeit als Aluminiumoxid (Tonerde) sowie eine höhere Leitfähigkeit als 70 μm dickes Kupfer. Dadurch wird die Problematik von Ringströmen vermieden, da die Wärme elektrisch isoliert abgeleitet werden kann.