Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe

Anbieter zum Thema

ALPHA-Numerics GmbH

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

CTX Thermal Solutions GmbH

Thermische Vias als Wärmebrücke in FR4-Lagen

Da ein Via selten alleine vorkommt, sondern in kleinen Feldern unter oder um Komponenten positioniert wird, erhöht sich der Wärmeleitwert in orthotroper Richtung meist um den Wert 21 W/mK (anstatt bisher 0,3 W/mK). Doch warum erhöht sich der Wärmeleitwert nicht in eine Region ähnlich dem Kupfer, da es doch eine durchgehende Kupferverbindung gibt?

Da ein Via-Feld aus einer Mischung aus Löchern, Kupferhülsen und FR-Leiterplattenmaterial besteht, geht hier jedes Material über seine Stirnfläche in die Kalkulation des „Mischleitwertes“ ein. In diesem Beispiel wird der Wärmeleitwert eines Via-Feldes mit einer mathematischen Gleichung errechnet. (Bild 3).

Bildergalerie

Den Trough-plane Wärmewiderstand eines Vias kann man als Parallelschaltung von FR4-Feld und Kupfer-Zylindermantel berechnen. Man nimmt dabei an, dass das Loch nicht ganz vollgelaufen ist und dass zwischen den Löchern FR4 ist (R=Länge des Wärmewegs/(Leitfähigkeit*Durchgangsfläche)).

Die Länge des Wärmewegs ist die Dicke der Leiterplatine Dboard. Unter der Voraussetzung, dass dpitch nicht außergewöhnlich groß ist, kann der erste Term vernachlässigt werden. Zur Berechnung der effektiven Leitfähigkeit eines Viafelds in Trough-plane-Richtung wertet man Gleichung 2 aus und erhält eine allgemeingültige Formel für den Mischleitwert eines Viafeldes (siehe Schaubild – eingerahmte Formel).

Die In-plane Leitfähigkeit wird von der Kupferbeschichtung an der Ober- und Unterseite bestimmt, die in der eben angeführten Gleichung aber nicht berücksichtigt wurde!

Einfluss von thermischen Vias auf den Wärmetransport

Diese Erkenntnisse wurden in einer kleinen Studie („Einfluss von thermischen Vias auf den Wärmetransport“) mit dem Simulationswerkzeug 6SigmaET von ALPHA-Numerics aufgebaut und visuell aufbereitet. Aufgrund der umfangreichen Illustration wird diese Studie als Ergänzung zu diesem Artikel zum Download zur Verfügung gestellt.

Die Erkenntnisse aus dieser Studie kann man wie folgt zusammenfassen: Das thermische Via-Feld erhöht den Wärmeleitwert „durch“ eine Platine. Doch erzeugen Vias keine erwähnenswerte Kühlmasse, welche die entstehende Wärme an der Komponente merklich senkt. Erst das Hinzufügen von wärmespreizenden Kupferflächen in der Platine (z.B. Bottom Layer oder Ground-Lagen) führt zu einer Absenkung der Komponententemperatur.

Thermische Vias symbolisieren lediglich einen besseren Wärmeweg von A nach B. Eine Kühlsenke in Form eines dicken Kupferlayers oder eines Kühlkörpers auf der Platinenrückseite sind maßgeblich an der Komponentenkühlung beteiligt.

(ID:38262500)