Thermischer Via-Array-Rechner
Berechnet den thermischen Widerstand einer Leiterplatte für die Wärmeverteilung von SMD-Gehäusen auf innere Kupferflächen oder Kühlkörper.
Formel
Wie es funktioniert
Der Thermal via Array Calculator berechnet den vertikalen Wärmewiderstand der Leiterplatte für die Wärmeabfuhr von oberflächenmontierten Leistungsgeräten — unverzichtbar für das Design von QFN-Wärmeleitpads, das Wärmemanagement von LED-Leiterplatten und die Kühlung von Hochleistungs-SMD-Komponenten. Leiterplattendesigner, Wärmetechniker und Entwickler von Leistungselektronik nutzen Via-Arrays, um die schlechte Wärmeleitfähigkeit von FR4 (0,3 W/m·K gegenüber Kupfer bei 385 W/m·K) zu umgehen. Gemäß IPC-2221B hat eine einzelne verkupferte Durchkontaktierung mit 0,3 mm Durchmesser (25 μm Wandstärke) bis 1,6 mm FR4 einen R_th ≈ 70°C/W; mit Kupfer gefüllte Durchkontaktierungen erreichen R_th ≈ 30°C/W. Parallele Durchkontaktierungen reduzieren den Gesamtwiderstand: N Durchkontaktierungen ergeben R_total = R_single/N. Eine 5×5-Anordnung von kupfergefüllten Durchkontaktierungen erreicht R_th ≈ 1,2 °C/W und nähert sich solide Kupferleistung. Der Durchgangsabstand sollte ≥ 0,8 mm (von Mitte zu Mitte) betragen, um Probleme bei der Leiterplattenherstellung zu vermeiden.
Bearbeitetes Beispiel
Entwerfen Sie ein thermisches Via-Array für eine 3-W-LED auf einer 1,6 mm dicken FR4-Leiterplatte mit einem 6 × 6-mm-Wärmeleitpad. Sollwert: μSA < 10 °C/W, um die Verbindungsstelle bei Ta = 50 °C unter 85 °C zu halten. Einzelberechnung: Durchmesser = 0,3 mm, beschichtete Wand = 25 μm, Kupferleitfähigkeit = 385 W/m·K. Ringfläche = □ ((0,15) ² — (0,125) ²) = 0,0216 mm². R_via = 1,6 mm/ (385×0,0216mm²) = 192°C/W pro plattierter Durchkontaktierung. Bei mit Kupfer gefüllter Oberfläche: Fläche = π × (0,15) ² = 0,0707 mm². R_via = 1,6 mm/ (385 × 0,0707 mm²) = 59 °C/W. Erforderliche Anzahl: N = 59/10 = mindestens 6 mit Kupfer gefüllte Durchkontaktierungen für das Pad. In einer Reihe von 3 × 3 (9 Durchkontaktierungen) mit einem Abstand von 2 mm innerhalb einer Kontaktfläche von 6 × 6 mm anordnen: R_total = 59/9 = 6,6°C/W. Damit wird der Sollwert überschritten und ein Spielraum von 34% erreicht. Bei Kühlkörper auf der Unterseite (345SA_Sink = 5 °C/W) ergibt sich ein GesamtsA = 6,6 + 5 = 11,6 °C/W. Tj = 50 + 3×11,6 = 84,8 °C — innerhalb des Sollwerts von 85 °C.
Praktische Tipps
- ✓Mit Kupfer gefüllte Vias kosten 30-50% mehr als herkömmliche beschichtete Vias, bieten aber eine 2-3-mal bessere thermische Leistung — kostengünstig bei einer Leistung von > 2 W pro Pad
- ✓Via-in-Pad mit Planarisierung ermöglicht die direkte Platzierung von Komponenten über Durchkontaktierungen — unverzichtbar für QFN- und BGA-Thermopad-Designs gemäß IPC-7095D
- ✓Verbindung über ein Array mit internen Boden-/Stromversorgungsebenen — Flugzeuge sorgen für eine seitliche Wärmeverteilung und reduzieren so den effektiven μSA um 20-50% im Vergleich zu isolierten Ebenen über ein Array
Häufige Fehler
- ✗Verwendung von ausschließlich plattierten Durchkontaktierungen anstelle von gefüllten — plattierte Durchkontaktierungen (25 μm Wandstärke) haben einen 2-3-mal höheren Wärmewiderstand als mit Kupfer gefüllte; spezifizieren Sie gefüllte Durchkontaktierungen für thermische Anwendungen
- ✗Zu enge Abstände der Durchkontaktierungen — ein Durchgangsabstand von <0,8 mm kann beim Reflow zu einer Delaminierung der Leiterplatte führen; gemäß IPC-2221B wird ein Abstand von 1 mm für thermische Via-Arrays empfohlen
- ✗Ignorieren der Lötmittelableitung — ungefüllte Durchkontaktierungen können während der Montage das Lötmaterial vom Wärmeleitpad ableiten, wodurch Hohlräume entstehen. Verwenden Sie die Lötmaske fest oder eine Kontaktfläche mit Deckelbeschichtung
Häufig gestellte Fragen
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