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Fachartikel

Die Lebensdauer elektronischer Bauteile kann sich durch eine Erhöhung der Betriebstemperatur um nur wenige Grad Celsius drastisch verringern. Darüber hinaus wird die Wärmeableitung dadurch erschwert, dass die gesamte Leiterplatte in bestimmten Anwendungsfällen eingekapselt ist, um sie wirksam vor Feuchtigkeit und Staub zu schützen. Eingebettete und eingesetzte Heatpipes von AT+S verbessern hier die Wärmeabfuhr deutlich.

Modernes Wärmemanagement von Leiterplatten erfolgt im Wesentlichen durch Zugabe von zusätzlichem Kupfer in die Leiterplatte, und zwar durch konstruktive Maßnahmen wie dicke Kupferschichten, durchkontaktierte Löcher, lasergebohrte Durchkontaktierungen mit Kupferfüllung oder sogar Kupfer-Inlays. Zwar können diese Methoden für eine gute Wärmeableitung sorgen, aber aus verschiedenen Gründen auch mit einigen Nachteilen verbunden sein: Speziell im Fall dicker Kupferschichten, die zur Ableitung der Wärme dienen, wird die Herstellung der Leiterplatten teurer und schwieriger, da neue Anlagen zur Handhabung der schweren, dicken Kupferplatten notwendig sind.

Gewicht sparen

Zudem erfordert das High-Density-Packaging extrem schmale Kupferbahnen in den Schaltkreisen der Leiterplatten. Das lässt sich nicht so einfach bewerkstelligen, wenn dicke Kupferschichten geätzt werden müssen. In Anwendungsfällen in der Luft- und Raumfahrt spielt außerdem die Masse eine wichtige Rolle, und auch in modernen Automobilen wie Elektrofahrzeugen gewinnt sie zunehmend an Bedeutung. Darüber hinaus können größere Mengen an Kupfer, die zur Kühlung verwendet werden, sehr teuer werden. Wärmemanagementkonzepte wie moderne miniaturisierte Heatpipes, die leicht sind, bessere Wärmeleiteigenschaften bieten als Kupfer und sich aufgrund ihrer geringen Größe für Leiterplatten eignen, können die Herausforderungen des Wärmemanagements in modernen High-End-Anwendungen lösen.

Wegen ihrer überragenden Wärmeübertragungsfähigkeit bei relativ geringer Masse können Heatpipes die Wärme sehr wirksam durch die Leiterplatten leiten. Moderne Heatpipes sind so klein, dass sie in Leiterplattenkonstruktionen integriert werden können. Ihre Dicke bewegt sich im Bereich von etwa 400 µm bis 2 mm. Der Hersteller nutzt das firmeneigene Know-how im Einbetten von Komponenten und in der 2.5D-Technologie, um Mini-Heatpipes mit Leiterplatten zu verbinden.

Neue Gestaltungsmöglichkeiten

Der Einsatz von Heatpipes direkt in der Leiterplatte erlaubt neue Gestaltungsmöglichkeiten wie eine externe Kühlung sowie Wärmeableitung und -ausbreitung. So bietet beispielsweise die Wärmeableitung die Möglichkeit, temperaturempfindliche Komponenten wie Sensoren und MEMS in unmittelbarer Nähe wärmeerzeugender Bauelemente wie Transistoren zu verwenden. Außerdem ermöglichen die besseren Kühleigenschaften von Leiterplatten mit eingebetteten Heatpipes (HP-PCBs), dass Bauelemente bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden können, wodurch sich bei den meisten elektronischen Anwendungen die Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer erhöht und Energie eingespart wird.

Die eingebettete oder eingesetzte Heatpipe ist ein passives Bauteil, das Wärme in der Leiterplatte über größere Strecken abführen kann, und zwar wirkungsvoller als herkömmliche Wärmeleiter wie Kupfer. Ihr Mechanismus zur Wärmeableitung basiert auf einen Phasenübergang (d. h. vom flüssigen in den gasförmigen Zustand) und dem Transport von Masse.

Funktionsweise der Heatpipe

Die Heatpipe ist eine röhrenförmige Konstruktion, die an beiden Enden dicht verschlossen ist und eine Flüssigkeit enthält, in der ein sehr geringer Druck herrscht. Normalerweise besteht das Rohr aus Kupfer, und als Flüssigkeit wird Wasser verwendet. Wenn das eine Ende des Rohrs erwärmt wird, geht das Wasser von der flüssigen in die gasförmige Phase über –  einfacher ausgedrückt: es verdampft. Durch den damit verbundenen Druckanstieg strömt der Wasserdampf zum kalten Ende des Rohrs. Dort gibt der Wasserdampf Energie ab und wird wieder flüssig. Durch Kapillarkräfte wird das flüssige Wasser zurück zum erwärmten Ende des Rohrs transportiert. Dieser dynamische Prozess wiederholt sich kontinuierlich und führt zu einer Wärmeabfuhr, die hundert bis mehrere tausend Mal so hoch ist wie bei einem Kupferstück mit entsprechenden Maßen. Da die Heatpipe hohl ist, bietet sie den zusätzlichen Vorteil, dass sie wesentlich leichter ist als Kupferstäbe.

In dem vorgestellten Konzept werden gebrauchsfertige Mini-Heatpipes mit dem Leiterplattenkörper verbunden, so dass ein komplettes Wärmemanagementmodul entsteht. Es wurden mehrere Leiterplatten-Vorführmuster mit eingebetteten und eingesetzten Heatpipes hergestellt. Um die miniaturisierten Heatpipes mit der Leiterplatte zu verbinden, wurden verschiedene Methoden angewandt. Bei allen Versuchen trug das HP-PCB-Konzept dazu bei, das Gesamttemperaturverhalten des Systems im Vergleich zu derzeit gebräuchlichen Methoden zu verbessern. Diese Technik gilt als Wärmemanagementkonzept für praktisch alle Anwendungsfälle in der Elektronik, in denen eine bessere Wärmeausbreitung oder -ableitung erforderlich ist. Mögliche Anwendungsbereiche finden sich insbesondere dort, wo Einschränkungen hinsichtlich Masse und Platzbedarf vorhanden sind. Beispiele hierfür gibt es in der Luftfahrt, im Automobilbau und in modernen Serveranwendungen.

Partner gesucht

Die Forschungs- und Entwicklungsabteilung von AT+S sucht noch Partner, die besondere Anforderungen an das Wärmemanagement zukünftiger Produkte stellen und bereit sind, die HP-PCB-Technik als Erstanwender zu erproben. Nach den Vorstellungen des Unternehmens müssen moderne Leiterplatten einen erweiterten Funktionsumfang wie ein verbessertes Wärmemanagement, eingebettete Komponenten, high frequency und hybride Materialien als festen Bestandteil des Lösungskonzepts für technologische Herausforderungen zukünftiger Anwendungen bieten.

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