Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe

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An einem weiteren Beispiel (Bild 4) kann der Wärmeweg von der Komponente zum Kühlkörper und weiter an die Umgebungsluft nochmal verdeutlicht werden.

Wir berechnen die Temperaturen eines Testaufbaus mit zwei Leistungsbauteilen der Familie TO220. Der Aufbau besteht aus einer 2-Lagen Platine (1,6 mm) mit einfachem Layout (Bottom Layer mit 100% Kupfer, 35 µm Dicke). Jede Komponente wird mit 3,5 W Verlustleistung beschrieben.

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Im Beispiel 1 wird die Leiterplatte auf der Rückseite über Wärmeleitpaste an einen Kühlkörper angebunden. Die Komponenten erhalten keine Vias. Das Beispiel 2 beschreibt den gleichen Aufbau, doch werden Wärmevias hinzugefügt, welche eine bessere Wärmeableitung auf den Botton-Layer und somit zum Kühlkörper realisieren sollen.

Durch die Berechnung von Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung erhält man einen dreidimensionalen Einblick in die Wärmeverteilung. Im Beispiel 1 ohne Vias erwärmen sich die Komponenten auf bis zu 123 °C.

Die Darstellung des Temperaturverlaufs in Bild 5/ohne Vias zeigt einen Wärmestau unter der Komponente. Das Beispiel 2 mit Vias bestätigt die Erwartung, dass die Wärme zum Kühlkörper abtransportiert werden kann und somit das gesamte Temperaturniveau sinkt (Bild 5/neue Temperaturlegende). Die Komponententemperatur sinkt auf 79,2°C. Die Legende zeigt allerdings nur den Temperaturbereich zwischen 20 und 50°C um die Wärmeableitung über die Vias besser darzustellen.

Vias sind nur mit Kühlmaßnahmen effektiv

Betrachtet man das Via als Kühlsenke, läuft man Gefahr einer Überhitzung der Komponenten. Ein Via ist immer nur in Kombination mit einer Kühlmaßnahme effektiv. Diese Kühlmaßnahmen können bei kleinen geschlossenen Geräten zusätzliche Kupferflächen in der Leiterplatte sein oder, bei größeren Geräten, an der Platinenrückseite angebundene Kühlsenken wie z.B. ein großer Kühlkörper oder eine kühle Gehäusewand.

In der oben empfohlenen Studie wird zusätzlich darauf eingegangen, welchen Einfluss die Positionierung der Vias haben kann und wie dies thermisch zu erklären ist. //

* * Dipl.-Ing. Tobias Best ist Geschäftsführer der Alpha-Numerics GmbH in Nastätten.