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Thermo-Simulation Vias in Leiterplatten sind kühler als man denkt

| Autor / Redakteur: Johannes Adam und Douglas Brooks * / Kristin Rinortner

Nicht die Stromstärke bestimmt die Temperatur eines Vias, sondern die Leiterbahnen. Die Autoren erörtern, wie die in der Kupferhülse erzeugte Joulesche Wärme und die Temperatur zusammenhängen.

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Bild 1: Das Testboard mit Blick von Top. Die Zahlen links sind die Leiterbreiten in mils.
Bild 1: Das Testboard mit Blick von Top. Die Zahlen links sind die Leiterbreiten in mils.
(Bild: Adam Research)

Ein bekupfertes Bohrloch („Via“) dient dazu, bestimmte Lagen in einer Leiterplatte elektrisch zu verbinden. Strom erzeugt aber Wärme. Wie hängen die in der Kupferhülse erzeugte Joulesche Wärme und die Temperatur zusammen? Experimente, durchgeführt von Douglas Brooks, und 3-D-Simulationen, durchgeführt von Johannes Adam, klären auf.

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Messung am Testboard und Simulation

Das 2-lagige Testboard und sein Layout sind in Bild. 1 zu sehen (mehr Details in [1,2]). Die Leiterbahnen sind insgesamt 152 mm lang und liegen je zur Hälfte auf Top und Bottom. Dort, wo die Hälften leicht überlappen befindet sich jeweils eine 0,5 mm große Bohrung mit einer Kupferhülse von 35 µm.

Die Temperatur wird mit Thermoelementen an der Bohrung und in etwa in der Mitte der Topleiterbahn gemessen. Die Messresultate sind in Tabelle 1 links zu finden (siehe eine erweiterte Parameterstudie in [2]).

Weil der elektrische Widerstand der Bohrungen (bis auf Temperatureffekte) gleich ist, ist das erstaunliche Ergebnis der Messung, dass durch 8,5 A (letzte Zeile) eine kleinere Erwärmung erfolgt als durch 4,7 A (erste Zeile). Daraus lassen sich nachfolgende Behauptungen postulieren:

  • Erste Behauptung: Die breite Leiterbahn wirkt als Kühlrippe.

Wir beobachten außerdem, dass die gemessene Viatemperatur immer in der Nähe der Leiterbahntemperatur liegt.

  • Zweite Behauptung: Die Leiterbahn bestimmt maßgeblich die Viatemperatur.

Diese Beobachtungen mit „Bleistift und Papier“ zu kontrollieren, ist nicht möglich, weil die Wärmespreizung in dieser Geometrie nicht mit einer überschaubaren Anzahl von Wärmewiderständen abgebildet werden kann. Aber man kann das Netzwerk sehr groß machen und dann auf dem PC lösen. Tabelle 1 enthält in den rechten Spalten die Berechnungsergebnisse der Software TRM („Thermal Risk Management“) [3] und Bild 2 zeigt das berechnete Thermogramm der Top Lage einer der Konfigurationen. Die Übereinstimmung von Messung und Simulation ist sehr gut.

Temperaturverteilung auf dem Board ohne Via

Um die Wechselwirkung des Vias mit der Leiterbahn besser zu verstehen, haben wir auch Boardmodelle ohne Via berechnet und dafür die Leiterhälften einzeln bestromt. Die Temperaturverteilung in der 200 mil breiten Bahn (5,08 mm) ist jetzt anders: der Hotspot wandert vom Via zum Mittelpunkt des Leiters (Bild 3), ist aber nicht wesentlich heißer. Das unterstützt die erste Behauptung.

Nun berechnen wir noch die Temperatur durch vertikalen Stromfluss im Via alleine (Bild 4). Die Temperatur ist höher als mit Leiterbahn. Deshalb ist die Kombination wärmer als die Leiterbahnen alleine.

Je nachdem, ob das Via alleine wärmer oder kälter ist als die Leiter ohne Via (letzte Spalten in Tabelle 1), wird die Kombination in diese oder jene Richtung gezogen. Da die Einflüsse der Via immer gering sind, beweist das die zweite Behauptung.

Zusammenfassung

Entgegen einer voreiligen Meinung ist es also nicht die Stromstärke, die die Temperatur eines Via bestimmt, sondern die Temperatur der angebundenen Leiterbahnen. Wenn die Leiterbahnen für das gegebene Stromniveau gut dimensioniert sind, reichen kleinere und weniger Via für den Übergang zwischen den Lagen aus als bisher vielleicht immer angenommen wurden.

Das gibt dem Designer größere Freiheit beim Routen unter den Leiterbahnen. Was in einer realistischen Leiterplatte eine passende Leiterbahnbreite ist, ergibt sich nur aus einer dreidimensionalen Simulation des Layouts und des Stromlaufs. Eine genauere Ausarbeitung findet sich in [4].

Literatur

[1] Brooks, D.: “How many vias does it take to?” The PCB design magazine. March 2016, S. 42. http://iconnect007.uberflip.com/i/652863-pcbd-mar2016/42 (abgreufen 4.5.2016)

[2] Brooks, D.; Adam, J.: “Via Currents and Temperatures” http://ultracad.com/articles/via.pdf (abgerufen 4.5.2016)

[3] Adam, J.: “Thermal Risk Management in Electronics” http://www.adam-research.de/index.php?seite=trm (abgerufen 4.5.2016)

[4] Adam, J.; Brooks, D.: “Electric Current and Via Temperature – Experiment vs. Simulation” http://www.adam-research.de/pdfs/TRM_CaseStudy2.pdf (abgerufen 4.5.2016)

* Johannes Adam ist Inhaber von ADAM Research in Leimen.

* Douglas Brooks ist Präsident von UltraCAD Design Inc. in Kirkland /USA.

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