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Vias in Leiterplatten geschickt zur effizienten Entwärmung nutzen

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Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH
CTX Thermal Solutions GmbH
IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Betrachtet man die Wärmewiderstandswerte der PVB-Schichten in Bild 4 und vergleicht sie mit den Wärmewiderstandswerten für ein Via, scheint das Via eine wesentlich höhere Wärmeimpedanz für jede Schicht zu haben. Ein Via nimmt aber weniger als 1/5000 in² (0,129 mm²) der Board-Fläche ein.

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Vergleicht man eine kleinere Fläche, z.B. 0,25 in x 0,25 in (6,35 mm x 6,35 mm), was 1/16 der vorherigen Fläche entspricht, ergeben sich für Bild 4 die 16-fachen Wärmewiderstandswerte. So würde sich die Wärmeimpedanz von t4 und der 33,4 mil dicken FR4-Schicht von 5,21875 auf 83,5 °C/W erhöhen.

Fügt man nur ein Via zu dieser Fläache 0,25 in x 0,25 in hinzu, verringert sich der Wert fast auf die Hälfte (83,5 °C/W parallel zu 90,91 °C/W). Die Fläche 0,25 in x 0,25 in ist etwa 400-mal größer als die Fläche eines Vias.

Was geschieht bei der Platzierung von 16 Vias auf diesem Raum? Der effektive Wärmewiderstand aller parallelen Vias wird verglichen zu einem einzigen Via um das 16-fache verringert.

Bild 7 vergleicht die Wärmewiderstände der Leiterplattenschichten für die 0,25 in x 0,25 in großen Fläche ohne Via mit der gleichen Fläche mit 16 Vias. Die 33,4 mil dicke FR4-Schicht dieser Fläche weist eine Wärmeimpedanz von 83,5 °C/W auf.

Die 16 parallelen Vias haben eine entsprechende Wärmeimpedanz von 5,6821 °C/W. Die 16 Vias nehmen weniger als 1/25 der Fläche 0,25 in x 0,25 in ein, verringern aber die Wärmeimpedanz-Verbindungen von der Oberfläche zu den unteren Schichten erheblich.

Fließt die Wärme durch ein Via hinab in die nächste Schicht (vor allem in eine andere Kupferschicht), dann bewegt sie sich seitlich vom Via weg in die Materialschicht. Das Hinzufügen von immer mehr Vias wirkt sich daher nachteilig aus, da die Wärme seitlich aus einem Via in das benachbarte Material austritt und möglicherweise auf Wärme aus einer anderen Richtung trifft, die von einem anderen Via stammt.

Das Board ISL8240MEVAL4Z misst 3 in x 4 in (76 mm x 101 mm). Insgesamt 2 Unzen Kupfer sind auf den oberen und unteren Leiterplattenschichten aufgebracht, und nochmals 2 Unzen Kupfer auf den beiden inneren Schichten. Damit das ganze Kupfer sinnvoll genutzt wird, besitzt das Board 917 12-mil-Vias, die die Wärme vom Modul in die darunterliegenden Kupferschichten abführen.

* Jerome Johnston ist Applications Engineer bei Intersil in Milpitas/USA.

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