Leiterplatten mit Aluminiumkern
oder -Träger - Leiton-Alu
Die Berechnung der Wärmeableitung
Betrachtet man den Wärmepfad, so kann man diesen in drei wesentliche Sektionen unterteilen:
- Wärmeübergang vom Halbleitermaterial auf das Gehäuse
- Wärmetransport vom Gehäuse an den Kühlkörper
- Wärmeableitung vom Kühlkörper an die Umgebung
Hat man als Entwickler auf den ersten Teil des Wärmepfades wenig Einfluss (Angabe des Herstellers), so kann man den weiteren Wärmepfad durch geeignete Maßnahmen positiv beeinflussen.
1. In Analogie zur Elektrizität lässt sich auch in der Wärmelehre ein Ohmsches Gesetz definieren:
2. Die Datenblätter der verschiedenen Materialien beinhalten meist die spezifische Wärmeleitfähigkeit:
3. Mit dieser Angabe kann man den Wärmewiderstand bei gegebener Materialdicke und Fläche der Wärmeleitung wie folgt berechnen:
Die Folienstärke entspricht der Isolationsdicke. Zu beachten ist neben der spezifischen Wärmeleitfähigkeit der Prepregs also auch die Anzahl, bzw. Gesamtdicke, da bei Mehrlagenschaltungen oft 2 Prepregs benutzt werden. Laut Herstellerangaben liegt die spezifische Wärmeleitfähigkeit für FR4 Laminate und Prepregs zwischen 0,26 und 0,38. Bei W/mK = 0,38 und dem Einsatz von einem Prepreg mit 0,063 mm (63u = 1080 Prepreg) Dicke ergibt sich also für eine Fläche von 100 mm²
Der Widerstand beträgt dann 1.66 °K/W. In Formel (1) eingesetzt ergibt sich bei 10W Wärmestrom eine Temperaturdifferenz von 16,6 °K.
Aus den weiterführenden Formeln (2) und (3) kann man erkennen, dass die spez. Wärmeleitfähigkeit eine dicken- und flächenunabhängige materialspezifische Größe ist. Dagegen ist der Wärmewiderstand ein die reelle Situation am Einbauort wiedergebender Wert. Bei dieser Berechnung des Wärmewiderstandes geht man stets von homogenen Stoffen aus.
4. Anders sieht die Situation an den Grenzflächen zweier massiver Körper aus.
Der Wärmeübergangswiderstand ergibt sich aus:
Bei der normierten Fläche von 100mm² folgt die Angabe in K/W.
(Also hier 12K/W)
