Die Bedeutung des Wärmemanagements bei Leiterplatten
Das Wärmemanagement ist ein entscheidender Aspekt beim Leiterplattendesign. Wenn Bauteile auf eine Leiterplatte gelötet werden – sei es durch Wellenlöten, Reflow-Löten oder manuelles Handlöten –, muss ein bestimmtes Wärmeprofil eingehalten werden. Wenn einem Pad, das mit einer großen Kupferfläche verbunden ist, eine thermische Entlastungsverbindung fehlt, wird die immense thermische Masse der Fläche die Wärme absorbieren. Dies erfordert, dass der Bestücker oder die automatisierte Anlage über einen längeren Zeitraum Wärme zuführt, was das Risiko thermischer Schäden am Leiterplattensubstrat (Delaminierung) oder am elektronischen Bauteil selbst erheblich erhöht.
Darüber hinaus kann bei einem Reflow-Lötverfahren eine ungleichmäßige Wärmeverteilung zu einem als “Tombstoning” bezeichneten Defekt führen, insbesondere bei kleinen oberflächenmontierten Bauteilen mit zwei Anschlüssen wie Widerständen und Kondensatoren. Tombstoning tritt auf, wenn die Lötpaste auf einem Pad früher schmilzt als auf dem anderen, wodurch die Oberflächenspannung das Bauteil am geschmolzenen Ende aufrecht zieht. Eine angemessene Wärmeableitung stellt sicher, dass sich die Pads an beiden Enden eines Bauteils mit ähnlicher Geschwindigkeit erwärmen, wodurch die Wahrscheinlichkeit dieses Problems drastisch verringert wird.
So sorgen Sie für eine ausreichende Wärmeableitung bei Leiterplatten
Befolgen Sie diese Schritte, um thermische Entlastungsverbindungen in Ihrer Leiterplatten-Design-Software korrekt zu implementieren.
Schritt 1: Identifizieren Sie die mit den Kupferflächen verbundenen Pads
Überprüfen Sie Ihren Schaltplan und Ihr PCB-Layout, um alle Bauteilpads, Durchkontaktierungen und Durchgangsbohrungen zu identifizieren, die elektrisch mit großen Kupferflächen (z. B. Masse- und Versorgungsflächen) verbunden sind.
Schritt 2: Globale Regeln zur thermischen Entlastung konfigurieren
Richten Sie in der Design-Rule-Check-Funktion (DRC) oder im Constraints-Manager Ihrer Leiterplatten-Design-Software die Standardregeln für die thermische Entlastung ein. Legen Sie die Anzahl der Speichen (in der Regel 2 bis 4), die Speichenbreite und den Isolationsabstand (den Abstand zwischen dem Pad und dem umgebenden massiven Kupfer) fest.
Schritt 3: Anpassung der Speichenbreiten an die aktuellen Anforderungen
Dünne Speichen eignen sich zwar hervorragend zur Wärmeisolierung, verringern jedoch die für den elektrischen Strom verfügbare Querschnittsfläche. Bei Pads mit hoher Stromstärke müssen Sie die erforderliche Speichenbreite berechnen, um sicherzustellen, dass diese den notwendigen Strom führen können, ohne zu überhitzen und als Sicherung zu wirken. Passen Sie die lokalen Einstellungen für diese spezifischen Pads entsprechend an.
Schritt 4: Verbindungen überprüfen und verifizieren
Sobald die Polygon-Füllungen (Kupferfüllungen) aktualisiert wurden, überprüfen Sie die thermischen Entlastungsverbindungen einer Sichtprüfung. Stellen Sie sicher, dass die Speichen korrekt ausgebildet sind und dass keine “Inseln” oder unvollständige Verbindungen entstanden sind, insbesondere in dichten Bereichen der Leiterplatte.
Bewährte Verfahren und zu beachtende Aspekte
Bei der Anwendung von Wärmeableitung gilt als allgemeine Faustregel, vier Speichen für kreisförmige Pads und entweder zwei oder vier Speichen für rechteckige oder quadratische Pads zu verwenden. Die Breite dieser Speichen ist ein Balanceakt zwischen thermischem Widerstand (zur Erleichterung des Lötvorgangs) und elektrischer Leitfähigkeit (zur Bewältigung des Stroms in der Schaltung). Für digitale oder analoge Signale mit geringer Leistung sind Standard-Speichenbreiten in der Regel völlig ausreichend. In der Leistungselektronik kann es jedoch erforderlich sein, Sonderformen, breitere Speichen oder sogar durchgehende Verbindungen zu verwenden (sofern spezielle Lötgeräte für hohe Temperaturen zur Verfügung stehen), um die Strombelastbarkeit gegenüber der Lötbarkeit zu priorisieren.
Ein weiterer zu berücksichtigender Aspekt ist das Hochfrequenz-HF-Design. In HF-Schaltungen kann sich die durch die Speichen eines thermischen Entlastungspads verursachte Induktivität negativ auf die Signalintegrität auswirken. In solchen speziellen Fällen entscheiden sich HF-Ingenieure häufig für feste Verbindungen zum Grundplatte und die Herausforderungen beim Löten durch spezielle Fertigungsverfahren bewältigen, wie beispielsweise das Vorheizen der gesamten Leiterplattenbaugruppe vor dem Löten.
Häufig gestellte Fragen
Was passiert, wenn ich kein Wärmeentlastungskissen verwende?
Ohne ein Wärmeableitkissen wirkt die große Kupferfläche als Kühlkörper und leitet die Wärme schnell vom Lötkolben ab. Dies führt häufig zu einer “kalten” Lötstelle, die eine schlechte elektrische Leitfähigkeit und eine geringe mechanische Festigkeit aufweist. Außerdem ist der Anwender dadurch gezwungen, die Wärme länger einzustrahlen, was das Risiko einer Beschädigung der Leiterplatte oder des Bauteils erhöht.
Gibt es Situationen, in denen eine thermische Entlastung vermieden werden sollte?
Ja. Bei Hochstrom-Strompfaden sollte eine thermische Entlastung grundsätzlich vermieden werden, da die Speichen den Stromfluss einschränken und zu lokaler Erwärmung führen können. Auch in Hochfrequenz-HF-Schaltungen wird häufig darauf verzichtet, da die Speichen unerwünschte Induktivität einbringen und die Schaltung beeinträchtigen können. Impedanz und Signalintegrität.
Wie viele Speichen sollte ein thermischer Überlastschutz haben?
In der Regel verfügt ein thermisches Entlastungspad über 2 bis 4 Speichen. Vier Speichen sind Standard bei runden und den meisten quadratischen Pads mit Durchkontaktierung. Zwei Speichen können bei kleineren Pads für die Oberflächenmontage oder in Bereichen mit dichter Leiterbahnführung zum Einsatz kommen, in denen vier Speichen unter Einhaltung der Designregeln physikalisch nicht untergebracht werden können.
