Wärmemanagement

Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe

| Autor / Redakteur: Tobias Best * / Kristin Rinortner

Thermische Vias: Ein Via ist immer nur in Kombination mit einer Kühlmaßnahme effektiv.
Thermische Vias: Ein Via ist immer nur in Kombination mit einer Kühlmaßnahme effektiv. (Bild: Alpha-Numerics)

Betrachtet man das Via als Kühlsenke, läuft man Gefahr die Komponenten zu überhitzen. Ein Via ist immer nur in Kombination mit einer Kühlmaßnahme effektiv. Hier lesen Sie warum.

Die Entwärmung einer Komponente steht und fällt mit einem guten Wärmekontakt zu einer Temperatursenke. Aufgrund der Miniaturisierung und der damit einhergehenden lokalen Platznot oder der vorliegenden Komponentenarchitektur ist eine direkte Kühlanbindung oft nicht möglich. Somit bedarf es einer Wärmeautobahn von der Komponente zur Temperatursenke.

Dieser Artikel befasst sich mit der Aufgabenstellung des optimierten Wärmeweges durch eine Platine und den damit verbundenen Abhängigkeiten. Er soll aufzeigen, dass thermische Vias eine Temperaturabsenkung nur bedingt herbeiführen und für den großen Kühleffekt auch eine Kühlsenke notwendig ist.

Um die Aufgabenstellung der thermischen Vias richtig zu verstehen, soll im ersten Abschnitt noch einmal der Aufbau einer Leiterplatine erörtert werden. Eine Leiterplatte ist ein Laminat aus einem Dielektrikum (Epoxydharz, meist verstärkt durch Glasgewebe) und eines metallischen Materials (Kupfer) für die Signalverarbeitung. Je nach Komplexität der Schaltung wird die Leiterplatine mit mehreren Signallayern aufgebaut.

Die Leiterplatte dient zur elektrischen Verbindung der Komponenten sowie der mechanischen Befestigung. Das Dielektrikum fungiert als elektrischer Isolator, was meist mit einer schlechten Wärmeleitfähigkeit einhergeht. So hat das übliche Leiterplattenmaterial FR4 einen Wärmeleitwert von 0,3 bis 0,5 W/mK, das Kupfer aber 386 W/mK. Das FR4 wird meist durch einen höheren Anteil an Glasgewebe (1 W/mK) thermisch besser leitend.

Die Wärmeleitfähigkeit der beteiligten Materialien ist, mit Ausnahme des Kupfers, aber trotzdem sehr schlecht. Allerdings haben die meisten Bauteile ohne Leiterplatte keine thermischen Überlebenschancen, weil sie nicht die für die notwendige Wärmeabfuhr erforderliche Oberflächengröße bieten. Erst durch die Wärmeübertragung in die Leiterplatte und die dortige Wärmespreizung (oder durch angebrachte Kühlkörper) kann die Wärme über eine größere Oberfläche an die Umgebung abgegeben werden.

Durch den geschichteten Aufbau einer Leiterplatine entsteht eine Aneinanderreihung von thermischen Widerständen, wobei immer der schlechtere Leiter (hier FR4) den Wärmeleitwert dominiert.

Geht man zum Beispiel von einer 1,6 mm dicken 4-Lagen-Platine (Bild 1) aus, welche auf allen vier Lagen 100% Kupferbahnen von 35 µm Dicke beinhaltet, so ergibt sich „durch“ die Leiterplatte ein viel schlechterer Wärmeleitwert als „in“ Lagenrichtung.

Den Einfluss solcher Schichtungen und den Anteil eines höheren Kupferanteils kann man im Beispiel aus Bild 2 gut erkennen. Als Materialwert für Kupfer wird 386 W/mK, für FR4 0,3 W/mK zur Berechnung verwendet.

Trotz der Erhöhung der Lagenanzahl blockiert das FR4 in orthogonaler Richtung den Wärmefluss. Diese Situation beschreibt auf klare Weise die Notwendigkeit thermischer Vias als Wärmebrücke durch die FR4-Lagen.

Ein Via (Bild 2b) ist im Prinzip eine Bohrung, die durch einen Kupfermantel ähnlich einer hochleitenden Hülse die Wärme mit einem hohen Leitwert von A nach B transportiert.

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