Effiziente Wärmeableitung mit SMT-Heatsinks

Erstellt: January 31, 2018
Aktualisiert am: September 25, 2020
Effiziente Wärmeableitung mit SMT-Heatsinks

PCB microcontroller under thermal heat

Sicherlich kann nichts schiefgehen, wenn man ein einfaches Abendessen zubereitet und eine Tiefkühlpizza im Ofen erhitzt. Als mich der Hunger packte, vergaß ich jedoch, beim Entfernen des Backblechs Ofenhandschuhe anzuziehen. Innerhalb weniger Sekunden spürte ich den stechenden Schmerz und hielt meinen Finger schnell unter das rauschende kalte Wasser aus dem Wasserhahn. Der Brandfleck an meinem Finger hielt noch einige Wochen an, aber die Warnung wird mir bis zum nächsten Mal, wenn ich zu hungrig werde, erhalten bleiben.

In der Elektronik kann Ihr PCB-Kühlkörper ziemlich heiß werden und für ahnungslose Techniker eine böse Überraschung bedeuten. Und nicht nur das: die extreme Temperatur, die den Betriebsbereich von Bauteilen überschreitet, kann zu einer kürzeren Lebensdauer für Ihr Produkt führen. Der Wärmeerzeuger selbst wird beschädigt, und auch die Leistung der Umgebung kann negativ beeinflusst werden. Mit der richtigen Anwendung und dem richtigen Verständnis von SMT-Heatsinks können Sie Ihre Designer (und Ihre Hände) retten.

Warum heizt sich eine Leiterplatte auf und benötigt einen SMT-Heatsinks? 

Einfache Elektronik wie ein digitaler Rechner erzeugt vernachlässigbare Wärme. Aber wenn Sie eine High-End-Steuerung oder eine Leistungstransistorschaltung mit hoher Stromstärke entwerfen, ist es unvermeidlich, dass es auf Ihrer Leiterplatte ziemlich heiß hergeht. Für einige Bauteile, wie z.B. einen Spannungsregler, kann der Temperaturanstieg, wie er durch seinen Wärmewiderstand definiert ist, anhand des im Datenblatt angegebenen Wertes berechnet werden.

Beispielsweise erhöht sich die Temperatur des beliebten LM7805 in einem TO-220-Gehäuse ohne Kühlkörper um 22°C pro 1 Watt Verlustleistung. Aber das ist nichts im Vergleich zu einem Leistungstransistor, von denen einige sogar eine Temperaturerhöhung von 100°C pro 1 Watt Verlustleistung erreichen können. Sie werden auch feststellen, dass sich Ihr Mikrocontroller erwärmt, wenn Sie alle seine Peripheriegeräte einschalten und ihn mit maximaler Geschwindigkeit laufen lassen.

Es ist nicht gerade hilfreich, dass die Anforderungen an kleine Leiterplatten steigen und die Wärme sich schneller aufbaut, als sie abgeführt werden kann. Und wenn Sie Leiterplatten in einem Außengehäuse unterbringen, steigt die Wärme oft auf die doppelte Temperatur. Natürlich tragen Lüftungsöffnungen und Abluftventilatoren dazu bei, die Temperatur niedrig zu halten. Aber ein solcher Ansatz ist nur so effektiv wie die Wärmeableitungstechniken, die auf der Leiterplatte selbst implementiert sind.

Power transistor on blue background with metal jutting out

Vorsicht, Leistungstransistoren können sehr heiß werden.

Design für effektive Wärmeverteilung auf Leiterplatten

Der Kühlkörper ist bei richtiger Anwendung ein wirksames Bauteil zur Steigerung der Effizienz. Wie andere elektronische Bauteile sind sie in Gehäusen zur Oberflächenmontage erhältlich. Hochleistungs-SMD-Bauteile haben in der Regel eine thermische Lasche oder ein Pad, um sie gegen ein Wärmeverteilungsmuster auf der Leiterplatte zu löten. Ein SMT-Heatsink wird dann auf das andere Ende des Kupfers gelötet, um eine bessere Ableitung zu gewährleisten.

Bevor Sie einen Kühlkörper für Ihre Hochleistungsbauteile auswählen, müssen zwei Faktoren berücksichtigt werden: die Wärmeleitfähigkeit und der Widerstand des Bauteils von der Verbindungsstelle zum Gehäuse sowie der Kühlkörper selbst. Sie sollten sicherstellen, dass die Temperatur des Bauteils die Sicherheitsgrenze nicht überschreitet und der Kühlkörper nicht so heiß wird, dass er ernsthafte Verletzungen der Haut verursachen kann.

Es ist wichtig, die gesamte Sperrschichttemperatur zu berechnen, indem die Verlustleistung durch die Summe des Wärmewiderstands des Geräts, der Wärmeableitfläche der Leiterplatte und des Kühlkörpers selbst dividiert wird. Sie können auch die Temperatur des Kühlkörpers selbst erhalten, wenn Sie den Wärmewiderstand des Kühlkörpers mit der Verlustleistung multiplizieren. Das richtige Design führt dazu, dass der Kühlkörper viel kühler ist als das Hochleistungsbauteil selbst.

SMD Heat sink on white background

Stellen Sie sicher, dass Ihr Kühlkörper Ihre Leiterplatte retten kann.

Es ist ein Irrglaube anzunehmen, dass ein Kühlkörper die Wärmeprobleme auf Ihrer Leiterplatte vollständig beseitigt. Er verhindert lediglich die Ansammlung von Wärme an einem einzigen Punkt. Wärmeempfindliche Bauteile wie Sensoren müssen Sie dennoch vom Kühlkörper fernhalten. Auch der richtige Luftstrom gehört zum Gehäusedesign, um zu verhindern, dass sich die Wärme staut.

Ein SMT-Heatsink ist eine hervorragende Möglichkeit, um die Wärme in Hochleistungsbauteilen richtig abzuleiten. Da es SMT-Heatsinks in verschiedenen Größen und Formen gibt, sollten Sie sicherstellen, dass der richtige Fußabdruck erstellt wird und dass Sie über die richtige PCB-Design-Software verfügen. Das intuitive Tool zur Erstellung des Fußabdrucks in Altiums Circuit Studio® kann Ihnen dabei helfen.

Mit dem neuen Altium 365 steht außerdem eine Cloud-Plattform zur Verfügung, mit der Sie eine noch bessere Kommunikation gewährleisten können, und zwar von überall aus.

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