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Power Management

Vias in Leiterplatten geschickt zur effizienten Entwärmung nutzen

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Was eine durchgehende Via-Verbindung bewirkt

Die Zahlen zeigen, dass die 33,4-mil-Schicht (t5) die höchste Wärmeimpedanz aufweist. Alle Zahlen in Bild 4 beschreiben die gesamte Wärmimpedanz auf 1 in² dieser vierlagigen PCB von der oberen bis zu unteren Schicht. Was passiert, wenn wir eine durchgehende Via-Verbindung durch die gesamte Platine führen?

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Das Board verwendet Vias mit einer Lochgröße von etwa 12 mil (0,012 in = 0,3 mm). Für einen Durchgang wird ein Loch mit 0,014 in (0,36 mm) Durchmesser gebohrt. Die anschließende Beschichtung fügt eine Kupferschicht von etwa 1 mil (0,001 in = 0,025 mm) Dicke auf der Innenseite des Bohrlochs hinzu.

Dieses besondere Board wird zudem noch in einem ENIG-Prozess plattiert, was zusätzlich etwa 200 µin (5,08 µm) Nickel und 5 µin (0,127 µm) Gold auf die äußeren Kupferoberflächen mit aufträgt. Wir ignorieren diese Schichten und verwenden für unsere Berechnungen nur die Kupferschicht, um den Wärmewiderstand des Vias zu ermitteln.

Die Formel für ein Zylinderrohr ist in Gleichung 2 (Bild 8) beschrieben. Die Variable l ist die Länge des Zylinders, K der Wärmeleitfaktor, r1 der Außenradius und r0 der Innenradius. Wendet man die Gleichung auf das 12-mil-Loch an, ergeben sich für r0 = 6 mil (0,006 in = 0,152 mm) und für r1 = 7 mil (0,007 in = 0,178 mm) bei K =9 für Kupferbeschichtung.

Die Variable l ist die Via-Länge von der oberen bis zur unteren Kupferschicht. Es liegt keine Lötmaske vor, mit der das Modul auf das Board gelötet wird. Für andere Bereiche kann der Board-Entwickler jedoch verlangen, dass die Lötmaske auf jedem Via aufgebracht wird oder die Fläche über dem Via bleibt leer. Da der Durchgang nur die äußeren Kupferschichten miteinander verbindet, beträgt dessen Länge 63,4 mil (0,0634 in = 1,61 mm).

Der Wärmewiderstand für die gesamte Via-Länge ist dann 167 °C/W (Gleichung 3). Bild 6 zeigt den Wärmewiderstand für jedes einzelne Via-Segment, das die verschiedenen Schichten der Leiterplatte verbindet. Zu beachten ist, dass diese Werte nur den Wärmewiderstand eines einzigen Vias repräsentieren – ungeachtet, dass jedes Segment durch das Board auch seitlich mit den Materialien in Verbindung steht.

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