Tepelný management moderních PCB: Jak efektivně řídit teplo

Moderní elektronická zařízení jsou stále menší, výkonnější a současně obsahují více elektronických součástek. S rostoucím výkonem však roste také množství tepla, které elektronika během provozu vytváří. Právě proto se tepelný management PCB stává stále důležitější součástí návrhu moderních desek plošných spojů.

Zatímco u jednodušších elektronických zařízení může být odvod tepla relativně snadný, u výkonných procesorů, automobilové elektroniky, telekomunikačních zařízení nebo AI serverů se může jednat o jeden z hlavních konstrukčních problémů. Teplo je proto nutné řešit už ve fázi návrhu PCB, nikoliv až po dokončení desky. Tepelný management PCB hodnotili technologové Gatema PCB, Radim Vítek, vedoucí výroby a Václav Ambrož, vedoucí technické přípravy výroby.

Proč je tepelný management PCB důležitý?

Každá elektronická součástka při své činnosti produkuje určité množství tepla. U běžných součástek nemusí být jeho množství významné, ale u procesorů, výkonových tranzistorů, napájecích obvodů, měničů nebo výkonových zesilovačů může být tepelná zátěž velmi vysoká.
Pokud není teplo dostatečně odváděno, může docházet k:

• přehřívání elektronických součástek,
• snížení jejich životnosti,
• změnám elektrických vlastností,
• nestabilitě zařízení,
• poškození součástek,
• zhoršení dlouhodobé spolehlivosti celého zařízení.

Důležitá přitom není pouze maximální dosažená teplota. Významnou roli hraje také opakované zahřívání a ochlazování. Rozdílná tepelná roztažnost materiálů může při tepelných cyklech vytvářet mechanické namáhání PCB, pájených spojů nebo prokovů.

Kde na PCB vzniká nejvíce tepla?

Při návrhu je nutné pro tepelný management PCB nejprve nutné určit hlavní zdroje tepla.
Mezi ty patří:

• procesory a GPU,
• výkonové tranzistory,
• napěťové regulátory,
• DC/DC měniče,
• výkonové zesilovače,
• LED,
• výkonové rezistory,
• konektory s vysokým proudovým zatížením.

Velmi důležité je také jejich rozmístění. Pokud se několik výkonných součástek nachází těsně vedle sebe, může v dané části PCB vzniknout tzv. hotspot – lokálně velmi teplé místo. Proto nestačí sledovat pouze průměrnou teplotu celé desky. Při návrhu je nutné sledovat také rozložení tepla a identifikovat místa s nejvyšší tepelnou zátěží.

Měď – důležitá součást pro tepelný management PCB

Měď má v PCB dvě důležité funkce. Vede elektrický proud a zároveň pomáhá odvádět a rozprostírat teplo. Větší plocha mědi umožňuje teplo rozvést do větší části desky. U výkonových aplikací mohou být využívány rozsáhlejší měděné plochy, napájecí a zemnící vrstvy nebo silnější měděné vrstvy.
Tepelné a elektrické vlastnosti vodičů spolu navíc úzce souvisejí. Standard IPC-2152 se zabývá vztahem mezi proudovým zatížením vodiče a jeho nárůstem teploty. Do výsledného tepelného chování vstupují například šířka a tloušťka vodiče, množství mědi, konstrukce desky a další podmínky.
U vysokoproudových aplikací proto není možné navrhovat elektrické propojení odděleně od tepelného návrhu.

Tepelné prokovy pomáhají odvádět teplo

Jednou z nejčastěji používaných metod pro odvod tepla skrz PCB jsou thermal vias, tedy tepelné prokovy.
Tepelné prokovy se často umisťují přímo pod výkonovou součástku nebo do její bezprostřední blízkosti. Umožňují přenášet teplo z povrchové vrstvy do vnitřních měděných vrstev nebo na spodní stranu PCB.
Vhodně navržené pole tepelných prokovů může zlepšit tepelný management PCB, protože zvládne:

• odvádět teplo od součástky,
• rozprostřít teplo do větší měděné plochy,
• propojit tepelně více vrstev PCB,
• zlepšit kontakt s chladičem nebo jinou tepelně vodivou konstrukcí.

Tepelné prokovy jsou zvláště důležité u moderních hustě osazených PCB, hrají prim pro tepelný management PCB, kde je pro klasické způsoby chlazení k dispozici velmi omezený prostor.

Materiál PCB ovlivňuje odvod tepla

Významnou roli hraje také volba materiálu. Standardní FR-4 je vhodný pro velké množství aplikací, ale u elektroniky s vysokou tepelnou zátěží nemusí být vždy optimálním řešením.
V závislosti na aplikaci lze využít například:

• materiály s vyšší teplotní odolností,
• metal-core PCB,
• keramické substráty,
• materiály s vyšší tepelnou vodivostí.

Keramické desky na bázi oxidu hlinitého nebo nitridu hlinitého mohou být vhodné pro aplikace, kde je efektivní odvod tepla jedním z hlavních požadavků.

Výběr materiálu však nelze posuzovat pouze podle tepelné vodivosti. Je nutné zohlednit také elektrické vlastnosti, mechanické požadavky, výrobní technologii, cenu a očekávané provozní podmínky.

Počet vrstev a konstrukce desky s ohledem na tepelný management PCB

U vícevrstvých PCB ovlivňuje tepelný management také celková konstrukce desky a její stackup.Vnitřní měděné vrstvy mohou sloužit nejen pro vedení signálů a napájení, ale také pro rozvod tepla. Pomocí tepelných prokovů lze jednotlivé měděné plochy propojit a vytvořit účinnější cestu pro odvod tepla. To je stále důležitější u velmi komplexních PCB s vysokým počtem vrstev.

Typickým příkladem jsou desky používané v AI serverech. Rostoucí výpočetní výkon vede k vyšší hustotě propojení, vyššímu počtu vrstev a vyšším nárokům na distribuci energie i odvod tepla. V souvislosti s AI servery jsou mezi návrháři výrobci PCB skloňovány termíny jako vysoký počet vrstev, HDI technologie a thermal via arrays jako součást současného vývoje serverových PCB.

Rozmístění součástek je pro tepelný management PCB zásadní

Efektivní tepelný management PCB nezačíná až výběrem chladiče. Už samotné rozmístění součástek může výrazně ovlivnit výslednou teplotu.
Výkonové součástky by měly být umístěny tak, aby měly dostatečný prostor pro odvod tepla a aby se teplo z několika zdrojů zbytečně nekumulovalo v jednom místě.

Jak uvádí vedoucí technického oddělení Václav Ambrož: „Při návrhu je vhodné zohlednit vzdálenost mezi tepelnými zdroji, umístění thermal vias, směr proudění vzduchu, umístění chladiče a vůbec rozměry zařízení , stejně jako zohlednit citlivost okolních komponent na teplotu.
Důležité je také vzít v potaz celé zařízení. PCB totiž obvykle není izolovaný systém,  jeho tepelné vlastnosti ovlivňuje skříň, chladič, ventilace i okolní komponenty. Těch možností pro hromadění tepla je u malé desky PCB docela hodně.“

Pasivní a aktivní chlazení PCB

Způsoby odvádění tepla lze obecně rozdělit na pasivní a aktivní.

Pasivní chlazení: Pasivní chlazení využívá konstrukci PCB a další prvky bez aktivního pohonu.
Patří sem například:

• měděné plochy,
• thermal vias,
• chladiče,
• heat spreadery,
• tepelně vodivé materiály,
• metal-core PCB,
• optimalizované rozmístění součástek.

Výhodou pasivních řešení je jednoduchost a vysoká spolehlivost.

Aktivní chlazení Aktivní chlazení využívá další mechanismy pro odvod tepla, například:

• ventilátory,
• nucené proudění vzduchu,
• heat pipes,
• kapalinové chlazení,
• termoelektrické chlazení.

U zařízení s velmi vysokou hustotou výkonu může být kombinace několika způsobů chlazení nezbytná.

Tepelný management u HDI PCB

Rostoucí miniaturizace elektroniky přináší další problém, upřesňuje Radim Vítek, vedoucí výroby:  „Čím více funkcí musí být umístěno na menší ploše, tím méně prostoru zůstává pro klasické tepelné struktury. HDI desky  umožňují dosáhnout vysoké hustoty propojení pomocí microvias, jemných vodičů a sekvenční laminace. Současně však musí konstrukce desky zajistit dostatečné elektrické i tepelné vlastnosti. Tepelný návrh proto musí být součástí konstrukce HDI už od začátku návrhu.“

To je důležité například u moderních BGA pouzder a výkonných procesorů, kde se na relativně malé ploše kombinuje velké množství elektrických spojů s vysokou tepelnou zátěží.

Tepelné cykly a spolehlivost PCB

Tepelný management není důležitý pouze proto, aby se elektronika nepřehřála. Stejně důležitá je dlouhodobá spolehlivost. Při opakovaném zahřívání a ochlazování dochází k tepelné roztažnosti jednotlivých materiálů. Pokud mají různé materiály odlišný koeficient tepelné roztažnosti, vzniká mechanické namáhání.
To může mít vliv například na prokovy, pájené spoje, vrstvy PCBa spoje mezi PCB a komponenty.

U náročných aplikací proto nestačí ověřit pouze maximální provozní teplotu. Důležité je také posoudit chování desky během dlouhodobého provozu a tepelných cyklů.

Jak tepelný management PCB ověřit?

„Návrh tepelného managementu by měl být následně ověřen simulací i praktickým měřením. Jedním z užitečných nástrojů jsou termokamery, které umožňují během provozu zobrazit rozložení teploty na celé PCB a odhalit lokální hotspoty. Proto je důležitá prototypová výroba, která při testování odhalí  veškeré slabiny návrhu,“ uvádí Radim Vítek.

A Václav Ambrož doplňuje: „Důležité je testovat plošné desky v podmínkách, které odpovídají skutečnému použití. Deska může například fungovat bez problémů při laboratorní teplotě, při našich testech, ale při vyšší okolní teplotě nebo maximálním zatížení se mohou objevit kritická místa, které z návrhu nepoznáme a ani testy funkčnosti desky je neodhalí.“

Tepelný management začíná už při návrhu PCB

U moderních elektronických zařízení už není možné řešit odvod tepla až na konci vývoje. Tepelný management PCB musí být propojen s elektrickým, mechanickým i výrobním návrhem.
Při návrhu je proto vhodné současně posuzovat:

1. výkon jednotlivých součástek,
2. jejich rozmístění,
3. proudové zatížení,
4. tloušťku mědi,
5. konstrukci vícevrstvé desky,
6. použitý materiál,
7. thermal vias,
8. způsob chlazení,
9. provozní teplotu,
10. očekávané tepelné cykly.

IPC uvádí IPC 2152 mezi standardy souvisejícími s návrhem PCB a zároveň se věnuje dalším oblastem designu, včetně HDI konstrukcí.

Budoucnost tepelného managementu PCB

Vývoj elektroniky směřuje k vyššímu výkonu, větší miniaturizaci a vyšší hustotě komponent. Výrazně je to patrné například u AI infrastruktury, datových center, automotive elektroniky nebo telekomunikačních zařízení.

S rostoucí výkonovou hustotou se proto bude měnit i způsob, jakým je tepelný management PCB navrhován. Nestačí pouze přidat větší chladič. Stále důležitější bude kombinace vhodného materiálu, konstrukce stackupu, měděných ploch, thermal vias, rozmístění součástek a celkového systému chlazení. Pro výrobce PCB to znamená, že tepelný management PCB  se stává nedílnou součástí samotného návrhu.

Čím dříve jsou tepelné požadavky zohledněny, tím lépe lze optimalizovat konstrukci PCB, výrobní proces i výslednou spolehlivost elektronického zařízení.

[6] Thermal Management in a 3D-PCB-Package with Water Cooling – Scientific Figure on ResearchGate.
Available from: (PDF) Thermal Management in a 3D-PCB-Package with Water Cooling a https://www.researchgate.net/figure/R-measurements-and-FEM-results-of-the-3D-packages_fig3_224758911 [accessed 20 Aug 2026]