PCB

Über den Wärmewiderstandsrechner

PCB anhand des thermischen Widerstands, des thermischen Widerstands der Anordnung, der Wärmeleitfähigkeit und der Stromtragfähigkeit für das thermische Leitfähigkeitsdesign berechnen

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Formel

θ_via = h / (k_Cu × A_Cu), θ_array = θ_via / N

θ_via— Über den Wärmewiderstand (°C/W)

h— Dicke der Platte (m)

k_Cu— Wärmeleitfähigkeit von Kupfer (385 W/mK) (W/mK)

A_Cu— Querschnittsfläche aus Kupfer (m²)

N— Anzahl der Vias

Wie es funktioniert

Der Via Thermal Resistance Calculator berechnet die Wärmeübertragungsfähigkeit von verkupferten Vias — unverzichtbar für das Wärmemanagement von Leistungselektronik, LED-Treibern und Hochleistungs-ICs. Auf dieser Grundlage konstruieren Wärmetechniker Via-Arrays, die einen thermischen Widerstand von der Verbindungsstelle zur Leiterplatte von weniger als 5-10 C/W erreichen und so eine Überhitzung der Geräte verhindern.

Gemäß IPC-2152 Anhang B folgt der thermische Widerstand einer einzelnen Durchkontaktierung R_th = L/(k x A), wobei L die Durchgangslänge (Leiterplattendicke), k die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer (385 W/mK) und A die Querschnittsfläche des Kupferringes ist. Eine 0,3-mm-Durchkontaktierung mit einer 25-µm-Beschichtung auf einer 1,6-mm-Platine hat einen R_th von etwa 150 C/W — viel zu hoch für die Verlustleistung. Aus diesem Grund gehören thermische Durchkontaktierungen mit 10—50 Durchkontaktierungen zur Standardpraxis.

Via-Fill verbessert die thermische Leistung erheblich: Ungefüllte Vias leiten die Wärme nur durch die 25-µm-Kupferrohrwand; kupfergefüllte Vias nutzen den vollen Durchmesser von 0,3 mm und reduzieren so den Wärmewiderstand gemäß IPC-4761 Typ VII um das 6- bis 8-fache. Mit Lötmaterial gefüllte Durchkontaktierungen (Typ V) erreichen 70% der Leistung einer Kupferfüllung bei geringeren Kosten.

Für QFN/DFN-Gehäuse mit freiliegenden Wärmeleitpads empfiehlt IPC-7093 einen Kontaktabstand von 1,0—1,2 mm bei einem Bohrdurchmesser von 0,3 mm, um einen thermischen Widerstand zwischen Leiterplatte und Umgebung von 20—30 C/W zu erreichen. In Kombination mit den inneren Kupferflächen von 2 Unzen kann dies die Sperrschichttemperatur im Vergleich zu Designs ohne thermische Durchkontaktierungen um 20-40 °C senken — oft der Unterschied zwischen zuverlässigem Betrieb und thermischer Abschaltung.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Entwurf eines thermischen Verbindungsarrays für 3 W LDO im QFN-16-Gehäuse (5 x 5 mm Wärmeleitpad), 4-lagige 1,6 mm FR4-Platine, Ziel-R_th < 15 C/W vom Pad bis zum unteren Kupferguss.

Lösung gemäß IPC-7093:

Parameter für einzelne Kontaktstellen: 0,3 mm Bohrer, 25 µm Beschichtung, L = 1,6 mm
Ringfläche: A = pi x (0,3/2) ^2 - (0,25/2) ^2) = pi x (0,0225 - 0,0156) = 0,0217 mm2
Einfach über R_th: R = 1,6/(385 x 0,0217e-6) = 191 C/W
Zielarray R_TH: 15 C/W, benötigt also mindestens N = 191/15 = 12,7 Vias
Mit 20% Abstand: N = 16 Durchkontaktierungen in 4x4-Anordnung mit 1,0 mm Abstand (passt auf 5-mm-Pad)
Überprüfen Sie: 16 parallele Durchkontaktierungen ergeben R_th = 191/16 = 11,9 C/W
Temperaturanstieg bei 3 W: DeltaT = 3 x 11,9 = 35,8 °C

Ergebnis: Eine 4x4-Anordnung mit 0,3 mm Durchkontaktierungen erreicht 12 C/W. Für eine bessere Leistung verwenden Sie mit Kupfer gefüllte Vias, um 2 C/W mit derselben Anordnung zu erreichen.

Praktische Tipps

✓Verwenden Sie einen 0,3-mm-Bohrer mit 0,6-mm-Pad für thermische Durchkontaktierungen — kleinere Bohrer haben eine unzureichende Kupferfläche; größere Bohrer reduzieren die Dichte. Diese Geometrie ist für einen Rasterabstand von 1,0 mm gemäß IPC-7093 geeignet.
✓Geben Sie eine Kupfer- oder Lötfüllung für die Durchkontaktierungen unter den Wärmeleitpads an. Das erhöht den Aufpreis von 0,10 — 0,30$ pro Platine, reduziert aber den R_th um das 6- bis 8-fache im Vergleich zu hohlen Durchkontaktierungen gemäß IPC-4761.
✓Verbinden Sie die Wärme über ein Array mit einer internen 2-Unzen-Kupferebene — 2-Unzen-Kupfer hat eine zweifache Wärmeleitfähigkeit von 1 Unze und ermöglicht so eine um 40% bessere Wärmeverteilung gemäß IPC-2152-Wärmemodellierung.

Häufige Fehler

✗Verwendung von Via-in-Pad ohne entsprechende Füllspezifikation — ungefüllte Durchkontaktierungen unter BGA/QFN verursachen Lötmittelableitung und Hohlräume, wodurch sowohl die thermische als auch die elektrische Leistung gemäß IPC-7095 beeinträchtigt werden.
✗Berechnung des Wärmewiderstands ohne Berücksichtigung des Ausbreitungswiderstands — die Wärme muss sich vom Via-Array in die Kupferebenen ausbreiten; eine unzureichende Dicke der Ebene erhöht den Wärmewiderstand gemäß IPC-2152 um 5-20 C/W.
✗Ignorieren des thermischen Widerstands von Leiterplatte zu Umgebung — Via-Arrays helfen nur beim Übergang von Leiterplatte zu Verbindungsstelle; der Gesamt-R_TH beinhaltet Platine-zu-Umgebung (typischerweise 20-40 C/W), der oft dominiert.

Häufig gestellte Fragen

Wie wirkt sich der Durchmesser der Durchkontaktierung auf den Wärmewiderstand aus?

Größere Durchkontaktierungen haben einen größeren Kupferquerschnitt und einen geringeren Wärmewiderstand. Gemäß IPC-7093:0,2 mm Durchkontaktierung haben einen R_th von etwa 300 C/W; 0,3 mm Durchkontaktierung haben ungefähr 150 C/W; 0,4 mm Durchkontaktierung haben ungefähr 80 C/W (alle mit 25-µm-Beschichtung, 1,6 mm Platine). Größere Durchkontaktierungen nehmen jedoch mehr Pad-Fläche in Anspruch — ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Durchmesser und Menge.

Kann der Wärmewiderstand der Via minimiert werden?

Ja — drei Methoden pro IPC-4761: (1) Erhöhung der Anzahl der Durchkontaktierungen — N parallele Durchkontaktierungen haben R_TH/n; (2) Kupferfüllung verwenden (Typ VII) — reduziert den R_th der einzelnen Durchkontaktierungen um das 6-8-fache; (3) Reduzieren Sie die Plattendicke — eine 0,8 mm-Platine hat die Hälfte des R_th von 1,6 mm. Kostengünstiger Ansatz: Maximieren Sie zuerst die Anzahl der Durchgänge und fügen Sie dann bei Bedarf die Füllung hinzu.

Welche Materialien eignen sich am besten für thermische Durchkontaktierungen?

Kupfer ist mit k = 385 W/mK optimal. Mit Kupfer gefüllte Vias (IPC-4761 Typ VII) bieten die beste Leistung. Mit Lötmaterial gefüllte (Typ V, k, ca. 50 W/mK) werden 70% der Leistung einer Kupferfüllung erreicht. Eine leitfähige Epoxidfüllung (k ca. 3-10 W/mK) bietet eine minimale Verbesserung gegenüber Hohldurchkontaktierungen — vermeiden Sie diese bei thermischen Anwendungen.

Wie viele Thermal Vias benötige ich?

Faustregel: 1 Durchlass pro 0,3 W Verlustleistung für hohle Durchkontaktierungen, 1 Durchkontaktierung pro 2 W für kupfergefüllte. Für eine genaue Berechnung: N = (Single_VIA_R_TH)/(Target_R_TH). Beispiel: 150 C/W bei Einzeldurchkontaktierung, 10 C/W Sollwert = mindestens 15 Durchkontaktierungen. Fügen Sie eine Marge von 25% für Fertigungsabweichungen und Grenzflächenwiderstand hinzu.

Wirkt sich Via-Pitch auf die thermische Leistung aus?

Ja — ein zu enger Abstand (<0,8 mm) verursacht thermische Abschattungen, wenn sich die Wärme von benachbarten Durchkontaktierungen überlappt, wodurch die effektive Leitfähigkeit um 15-30% reduziert wird. IPC-7093 empfiehlt einen Abstand von 1,0 bis 1,2 mm für eine optimale Wärmeverteilung. Ein zu großer Abstand (> 1,5 mm) reduziert die Anzahl der Vias in engen Bereichen der Pads.

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