Ein umfassender Überblick über thermische Durchkontaktierungen auf Leiterplatten

I. Was sind thermische Durchkontaktierungen?

Thermische Durchkontaktierungen sind Gruppen von Durchkontaktierungen, die speziell dafür entwickelt wurden, Wärme schnell von einer Lage einer Leiterplatte (üblicherweise der oberen oder inneren Lage, auf der sich wärmeerzeugende Bauteile befinden) zu anderen Lagen (insbesondere der unteren oder inneren Kupferlage) abzuleiten. Sie fungieren nicht als Kühlkörper, sondern verteilen die Wärme effizient von der Wärmequelle auf eine größere Kupferfläche der Leiterplatte, wo sie durch Konvektion und Strahlung abgeführt wird.

II. Kernfunktionen und -zwecke

1. Reduzierung des Wärmewiderstands: Chips (insbesondere solche mit Lötpads auf der Unterseite, wie QFN, DFN und BGA) weisen einen hohen Wärmewiderstand gegenüber der Luft auf. Durchkontaktierungen leiten die Wärme an eine große Fläche Kupferfolie auf der Unterseite oder den inneren Lagen der Leiterplatte ab und reduzieren so den gesamten Wärmewiderstand zwischen den Lötstellen und der Umgebung deutlich.

2. Wärmeverteilung und -ableitung: Durch die schnelle Ableitung von Wärme von einem Punkt (Wärmequelle) auf eine größere Fläche wird eine lokale Überhitzung verhindert.

3. Verbindung zu thermischen Strukturen: Wärmeleitung zur Rückseite der Leiterplatte, die auch die Installation externer Kühlkörper ermöglicht, Wärme über das Gehäuse abführt oder direkt dem Luftstrom ausgesetzt wird.

III. Wichtige Designüberlegungen

1. Layout und Array

● Unterhalb der Wärmequelle angeordnet: Typischerweise werden Durchkontaktierungen direkt unterhalb der Wärmeleitpads von wärmeerzeugenden Bauteilen (wie z. B. Chips) platziert.

● Array-Formation: Verwendung eines dicht gepackten Arrays von Durchkontaktierungen anstelle einzelner Durchkontaktierungen. Üblicherweise werden Matrix- oder Quincunx-Formationen verwendet, um die Wärmeleitfläche zu maximieren.

2. Über Parameter

● Lochdurchmesser: Typischerweise kleine Durchkontaktierungsdurchmesser (z. B. 0,3 mm – 0,5 mm). Kleinere Durchmesser ermöglichen mehr Durchkontaktierungen auf begrenztem Raum und vergrößern so die gesamte Wärmeleitquerschnittsfläche. Die Prozessmöglichkeiten des Leiterplattenherstellers (minimaler Lochdurchmesser) müssen jedoch berücksichtigt werden.

● Kupferdicke der Lochwände: Maximieren Sie die Kupferdicke der Lochwände. Geben Sie dem Leiterplattenhersteller „dicke Kupferfüllung“ oder „dickere Lochwandbeschichtung“ (z. B. 1 Unze oder mehr) an. Dies ist eine der effektivsten Methoden zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit.

● Abstand: Der Mittenabstand der Durchkontaktierungen beträgt in der Regel etwa das Doppelte des Lochdurchmessers, um ausreichend Kupferringe zu gewährleisten und ein Ausbrechen der Bohrung zu vermeiden. Ein zu geringer Abstand kann zu Problemen mit der Signalqualität (durch die Bildung von Resonanzhohlräumen) oder zu Fertigungsschwierigkeiten führen.

3. Verbindungsschichten und Lötstopplack

● Verbinden Sie alle möglichen großen Kupferschichten: Idealerweise sollten thermische Durchkontaktierungen alle internen Strom-/Masseebenen und die untere Kupferfolie verbinden. Dies entspricht dem Anschluss der Wärmequelle an eine große „thermische Masse“.

● Lötstopplacköffnungen: Auf der Rückseite (unteren Lage) der Leiterplatte, im Bereich der Durchkontaktierungen, müssen Lötstopplacköffnungen angebracht werden (d. h. der Lötstopplack darf die Kupferflächen und Durchkontaktierungen nicht bedecken). Dies ermöglicht Folgendes:

* Wärme direkt an die Luft abgeben.

* Zusätzliche Kühlkörper oder Metallblöcke lassen sich leicht anlöten.

* Bei Bedarf kann Wärmeleitpaste aufgetragen werden.

4. Verbindung zu den inneren Kupferschichten

● Die Durchkontaktierungen sollten vollständig mit den inneren Kupferschichten verbunden sein (Vollkontaktierung), ohne Verwendung von thermischen Entlastungs-Kreuzverbindungen. Für eine optimale Wärmeableitung ist der Pfad mit dem geringsten Wärmewiderstand erforderlich.

IV. Überlegungen zur thermischen Simulation

Bei der Durchführung von thermischen Simulationen in EDA-Software (wie z. B. ANSYS Icepak, Simcenter Flotherm, Altium Sim usw.):

● Die Via-Anordnung muss als äquivalenter wärmeleitender Block modelliert werden, mit einer äquivalenten Wärmeleitfähigkeit, die wesentlich höher ist als die von gewöhnlichem FR-4-Material.

● Das Modell muss Faktoren wie die Dicke der Kupferdurchkontaktierungen, Füllstoffe (Luft oder Harz) und die Packungsdichte berücksichtigen, um die äquivalente Wärmeleitfähigkeit zu berechnen.

● Hauptzweck der Simulation ist die Bewertung des Einflusses verschiedener Via-Designs auf die Chip-Sperrschichttemperatur und die Temperaturverteilung auf der Leiterplattenoberfläche.

V. Fortgeschrittene Techniken und Variationen

1. Gefüllte Durchkontaktierungen:

● Leitfähiger Füllstoff: Gefüllt mit Kupferpaste oder leitfähigem Epoxidharz, bietet hervorragende Wärmeleitfähigkeit, ist aber mit hohen Kosten verbunden.

● Nichtleitender Füllstoff: Mit Harz gefüllt und anschließend oberflächenplattiert (VIPPO). Hauptzweck ist die Verhinderung von Lötpastenverlusten bei der Chipmontage auf der Vorderseite; zudem verbessert er die Wärmeleitfähigkeit (besser als Luft).

● Wärmeleitfähiges Epoxidharz-Füllmaterial: Gefüllt mit einem speziellen, hochwärmeleitfähigen Isoliermaterial, das die Wärmeleitfähigkeit verbessert und gleichzeitig die elektrische Isolation gewährleistet.

2. Anwendbar auf Hochleistungsgeräte: 

Thermische Durchkontaktierungen sind für MOSFETs, Hochstrom-DC/DC-Wandler usw. unerlässlich. Sie werden typischerweise über eine große Fläche unterhalb des Bauelements angeordnet.

3. Vorsichtsmaßnahmen:

● Signalintegrität: Eine dichte Anordnung von Durchkontaktierungen kann die Referenzebene unterhalb von Hochgeschwindigkeitssignalleitungen (insbesondere Mikrowellen- und HF-Leitungen) stören und zu Unterbrechungen führen. Eine separate Überprüfung ist erforderlich.

● Lötprobleme: Wenn Durchkontaktierungen direkt auf SMD-Pads liegen (insbesondere Pads für kleine Chips), ist ein ordnungsgemäßes Abdecken mit Lötstopplack unerlässlich, um einen Verlust von Lötpaste während des Reflow-Lötens und damit kalte Lötstellen zu verhindern.

VI. Zusammenfassung des Designs

1. Wärmequellen identifizieren: Lokalisieren Sie die wichtigsten wärmeerzeugenden Bauteile auf der Leiterplatte.

2. Planen Sie die Wege der Wärmeableitung: Bestimmen Sie, welche Schicht (in der Regel die Rückseite) die Wärme leiten soll.

3. Durchkontaktierungsanordnung platzieren: Platzieren Sie dichte Durchkontaktierungen mit kleinem Durchmesser unter den Wärmeleitpads des Geräts.

4. Eigenschaften der Durchkontaktierung festlegen: Dickere Kupferwände für die Durchkontaktierung festlegen, die mit allen relevanten Kupferschichten verbunden sind.

5. Lötstopplack: Sicherstellen, dass sich in den rückseitigen Wärmeableitungsbereichen Öffnungen für den Lötstopplack befinden.

6. DFM-Inspektion: Mit dem Leiterplattenhersteller kommunizieren, um die Machbarkeit und die Kosten von Prozessen wie Lochdurchmesser, Kupferdicke und Via-Füllung zu bestätigen.

7. Thermische Simulation durchführen: Die Effektivität der Konstruktion überprüfen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass thermische Durchkontaktierungen auf Leiterplatten eine kostengünstige und hocheffiziente Methode zur integrierten Wärmeableitung darstellen. Ihr Hauptzweck besteht darin, die gesamte Kupferschicht der Leiterplatte als Kühlkörper zu nutzen. Die Auslegung der Durchkontaktierungen ist entscheidend für ein erfolgreiches Wärmemanagement, insbesondere in der Leistungselektronik und bei kompakten Geräten.

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