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Thermal

Thermischer Via-Array-Rechner

Berechnet den thermischen Widerstand einer Leiterplatte für die Wärmeverteilung von SMD-Gehäusen auf innere Kupferflächen oder Kühlkörper.

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Formel

θvia=LkCuAring+k f Acore,θarray=θviaN\theta_{via} = \frac{L}{k_{Cu} A_{ring} + k\, f\, A_{core}}, \quad \theta_{array} = \frac{\theta_{via}}{N}
θ— Thermischer Widerstand (°C/W)
L— Leiterplattendicke (Via-Länge) (m)
k_Cu— Wärmeleitfähigkeit der Kupferhülse (385 W/m·K) (W/m·K)
k— Wärmeleitfähigkeit der Füllung (W/m·K)
A_ring— Querschnitt der beschichteten Hülse, π(r² − (r − t)²) (m²)
A_core— Querschnitt der Bohrung innerhalb der Beschichtung, π(r − t)² (m²)
f— Füllgrad
N— Anzahl der Vias

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 verwenden 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 Via mit 0,3 mm Durchmesser (25-μm-Wand) durch 1,6 mm FR4 R_th ≈ 192°C/W; mit Kupfer gefüllte Vias erreichen R_th ≈ 59°C/W. Parallele Durchkontaktierungen reduzieren den Gesamtwiderstand: N-Durchkontaktierungen ergeben R_total = R_single/N. Eine 5×5-Anordnung von mit Kupfer gefüllten Vias erreicht R_th ≈ 2,4°C/W und kommt damit der Leistung von festem Kupfer nahe. Der Durchgangsabstand sollte ≥ 0,8 mm (von Mitte zu Mitte) betragen, um Probleme bei der Leiterplattenherstellung zu vermeiden.

Rechenbeispiel

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. Ziel: θSA < 10°C/W, um die Verbindungsstelle bei Ta = 50°C unter 85 °C zu halten. Einzeldurchführung: Durchmesser = 0,3 mm, plattierte Wand = 25μm, Kupferleitfähigkeit = 385 W/m·K. Ringfläche = π×((0.15)² - (0.125)²) = 0.0216mm². R_via = 1.6mm/(385×0.0216mm²) = 192°C/W pro beschichteter Durchkontaktierung. Bei Kupferfüllung: Fläche = π×(0.15)² = 0.0707mm². R_via = 1.6mm/(385×0.0707mm²) = 59°C/W. Erforderliche Anzahl: N = 59/10 = mindestens 6 mit Kupfer gefüllte Durchkontaktierungen für die Kontaktfläche. In einer 3×3-Reihe (9 Durchkontaktierungen) mit einem Abstand von 2 mm innerhalb eines 6×6-mm-Pads anordnen: R_total = 59/9 = 6,6°C/W. Damit wird der Sollwert überschritten und ein Spielraum von 34% erreicht. Mit Unterseite Kühlkörper ( (θSA_sink = 5°C/W), insgesamt θSA = 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 Effektive θSA um 20-50% im Vergleich zur Isolierung über ein Array

Häufige Fehler

  • ✗Verwenden Sie ausschließlich plattierte Durchkontaktierungen anstelle von gefüllten — plattierte Durchkontaktierungen ( (25μm wand) haben einen 2-3-mal höheren Wärmewiderstand als mit Kupfer gefüllte; geben Sie gefüllte Durchkontaktierungen für thermische Anwendungen an
  • ✗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

Faustregel: Mindestens 4 Durchkontaktierungen für eine messbare Verbesserung, 16-25 Durchkontaktierungen entsprechen der Leistung von festem Kupfer. Zur quantitativen Dimensionierung: N = R_single_via / R_target. A Für Geräte mit 1 W, θ = 20°C/W, sind ~3 mit Kupfer gefüllte Durchkontaktierungen erforderlich; für ein 10-W-Gerät, das auf θ = 2°C/W ausgerichtet ist, sind ~30 Durchkontaktierungen erforderlich. IPC-2152 empfiehlt 1 Durchkontaktierung gemäß 0.5-1mm² der Fläche des Wärmeleitpads.
Minimale Auswirkungen — kreisförmige Durchkontaktierungen gehören zur Standardausstattung und bieten ein optimales Verhältnis zwischen thermischer Leistung und Herstellungskosten. Ein größerer Durchmesser verbessert den Wärmewiderstand (R ∝ 1/Fläche), reduziert jedoch den Platz beim Verlegen. Standardgrößen: 0,3 mm für Signal, 0,4 bis 0,5 mm für Leistung, 0,2 mm für HDI. Das Seitenverhältnis (Tiefe/Durchmesser) sollte für eine zuverlässige Beschichtung gemäß IPC-4761 < 10:1 betragen.
FR4:0,3-0,4 W/m·K (durch die Ebene), 0,8-1,0 W/m·K (in der Ebene aufgrund des Glasgeflechts). Kupfer: 385 W/m·K. Aluminiumsubstrat: 1—2 W/m·K für isoliertes Metallsubstrat (IMS) gemäß Bergquist. Leiterplatte mit Metallkern: 1—8 W/m·K für Dielektrikum, verbunden mit einem soliden Aluminiumträger (205 W/m·K). ) Für Hochleistungs-LEDs werden IMS- oder Keramiksubstrate (AlN: 170 W/m·K) ) FR4 vorgezogen.
Kupfer wird für thermische Durchkontaktierungen bevorzugt — füllt den gesamten Via-Zylinder mit Kupfer, wodurch die Querschnittsfläche maximiert wird. Plattierte Durchkontaktierungen haben in der Mitte einen Hohlraum ( (25-35μm Wandstärke (typisch)), wodurch die effektive Fläche um 60-80% reduziert wird. Kostenunterschied: 0,001—0,005 USD pro Via. Bei Kontaktflächen unter QFN-Wärmeleitpads sind gemäß J-STD-001H gefüllte und planarisierte Durchkontaktierungen erforderlich, um das Eindringen von Lötmaterial zu verhindern.

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