Strombelastbarkeit von Leiterplatten-Durchkontaktierungen: Wie heiß ist zu heiß?

Eine häufig gestellte Frage von Designern, insbesondere von jenen, die sich erst noch mit den Industriestandards vertraut machen müssen, betrifft die Strombelastbarkeit von Leiterbahnen einer Leiterplatte. Strombelastbarkeit von Leiterbahnen und Durchkontaktierungen sind tatsächlich bedeutende Faktoren, auf die man sich konzentrieren sollte, wenn man eine neue Platine entwirft, die hohe Ströme führen soll. Anzustreben ist, die Leitertemperaturen unter einem angemessenen Grenzwert zu halten, damit die Leiterplattenkomponenten ausreichend kühl bleiben.

Während die empfohlene Strombelastbarkeit von Leiterbahnen gut erforscht und in den IPC-2152-Standards dokumentiert ist, stehen Durchkontaktierungen in Mehrschichtplatten weit weniger im Fokus. Einige Vorreiter beschäftigten sich mit den Fragen der Strombelastbarkeit und der Temperaturgrenzen von Durchkontaktierungen im Vergleich zur Temperatur einer normalen Leiterbahn, bei gleicher Strombelastbarkeit. Schauen wir uns den aktuellen Zustand der thermischen Anforderungen an Durchkontaktierungen an und wie sie im Vergleich zu internen und externen PCB-Leiterbahnen aussehen.

Strombelastbarkeit berechnen

Leiterbahnen haben eine bestimmte Strombelastbarkeit, die anhand des Kupfergewichts und des zulässigen Temperaturanstiegs mithilfe des Nomogramms gemäß IPC 2152 bestimmt werden kann. Das Ziel ist die Dimensionierung von Leiterbahnen, um sicherzustellen, dass Ihre Leiterplatte mit ihren Komponenten innerhalb eines sicheren Betriebstemperaturbereichs betrieben wird.

Die Regeln zur Bestimmung der Leiterbahnabmessungen werden oft auf die Größenbestimmung von Durchkontaktierungen angewendet. Dennoch haben Designer einige Vorbehalte hinsichtlich einer sicheren Temperaturbegrenzung für Durchkontaktierungen. Manche machen sich gar Sorgen über ein Durchschmelzen während des Betriebs, falls die Temperatur zu stark ansteigen sollte. Obwohl Durchkontaktierungen nicht derart heiß werden, ist es wichtig, die Temperatur der Durchkontaktierungen mit den Leiterbahnen und Ebenen zu vergleichen, mit denen sie verbunden sind.

Man könnte annehmen, dass ein Via, das an den Enden einer heißen Leiterbahn mit hohem Stromdurchfluss angeschlossen ist, eine Temperatur haben wird, die mindestens so hoch ist wie die der angeschlossenen Leiterbahn. Das erscheint schlüssig. Die angeschlossenen Leiterbahnen und alle in der Nähe befindlichen Flächen können bei hohen Strömen (geringes Kupfergewicht bei ~5–10 A) ziemlich heiß werden. Ist damit nicht eine Wärmeakkumulation im Via zu erwarten?

Darüber hinaus könnte man natürlich schlussfolgern, dass Leiterbahnen auf einer Oberflächenschicht eher kühler sind als die Leiterbahnen in einer Innenschicht. Würde dies nicht dazu führen, dass das Via beim Durchgang durch das Innere einer Platine eine höhere Temperatur erreicht? Diese Fragen betreffen wichtige Punkte im Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit von Durchkontaktierungen, insbesondere von Micro-Vias.

In der Praxis widerspricht die Wirklichkeit unserer Intuition: Erstens werden Leiterbahnen auf der Oberflächenlage heißer als Leiterbahnen in einer Innenlage. Das liegt daran, dass die Wärmeleitfähigkeit von FR4 (0,25 W/m⋅K) eine Zehnerpotenz höher ist als die von Luft. Es gibt alternative Substrate, die eine noch höhere Wärmeleitfähigkeit bieten. Dies bedeutet, dass das Substrat für innen liegende Leiter als Wärmesenke fungiert. Dies gilt auch für Durchkontaktierungen, und es hilft, zu erklären, warum Durchkontaktierungen dazu neigen, kühler zu sein als die mit ihnen verbundenen Leiterbahnen.

Experimentelle Ergebnisse

Ein kürzlich erschienener Artikel von Douglas Brooks und Johannes Adam im Signal Integrity Journal (SIJ) enthält einige experimentelle Messungen der Temperaturen von hochstromführenden Leiterbahnen und Durchkontaktierungen. Meines Wissens liefern diese Messungen den ersten Vergleich von Leiterbahntemperaturen, die nach den IPC-2152-Standards entworfen wurden, und einem daran angeschlossenen Via. Diese Messungen und die Ergebnisse der Simulationen sind in den folgenden Tabellen aufgeführt.

Das ist natürlich viel weniger als die 0,5-A-Faustregel, die manchmal in Foren zu lesen ist. Faustregeln sind i. d. R. zu konservativ, daher ist es in den meisten Fällen in Ordnung, sie zu befolgen. Wenn Sie jedoch einen hohen Gleichstrom bereitstellen müssen, richten Sie möglicherweise mehr Schaden als Nutzen an, wenn Sie die Ebenen mit einer übermäßigen Anzahl von Durchkontaktierungen versehen. Berücksichtigen Sie dies bei der Wahl der Anzahl der Durchkontaktierungen, die für die Stromversorgung erforderlich sind.

Wenn Sie einen weniger konservativen Grenzwert von 1 A pro Durchkontaktierung festlegen und gleichzeitig 5 A liefern müssen, sollten fünf große Durchkontaktierungen mit dicker Beschichtung ausreichen, solange die Temperatur der Durchkontaktierung in der Nähe eines Bauteils nicht zu hoch wird. Die Gefahr liegt hier nicht in der hohen Temperatur, sondern eher in den Temperaturzyklen. Bei wiederholtem Wechsel zwischen sehr hohen und niedrigen Temperaturen kann es zu Ermüdungserscheinungen kommen, die wiederum zum Ausfall führen.

Analyse

Wir sehen, dass dünne Leiterbahnen tendenziell heißer sind als die daran angeschlossenen Durchkontaktierungen mit einem Temperaturunterschied von wenigen °C. Dies ist auf die Wärmeleitfähigkeitsunterschiede für die luftexponierte Leiterbahn und dem Via zurückzuführen. Tatsächlich wird die Wärme aus dem Via schneller abgeführt als aus der dünnen Leiterbahn.

Die oben vorgestellten Ergebnisse zeigen einen Widerspruch zu dem von mir zuvor erwähnten Argument der Wärmeleitfähigkeit. Sobald die Leiterbahn recht breit ist (200 mils), bleibt sie kühler als das Via, auch wenn der Temperaturunterschied nur wenige °C beträgt.

Der Wärmeabfluss von der Leiterbahn hängt von der exponierten Oberfläche und der Wärmeleitfähigkeit der umgebenden Medien ab. In diesem Fall, in dem eine breite Leiterbahn eine große freiliegende Oberfläche hat, wird die Wärme von der Leiterbahn schneller abgeführt als von dem Via. Dies führt dazu, dass die Leiterbahn eine niedrigere Gleichgewichtstemperatur aufweist. Dieses Verhältnis lässt sich wie folgt zusammenfassen:

• Wenn die Leiterbahn dünn ist, wirkt das Via wie ein kleiner Kühlkörper für die Leiterbahn.
• Wenn die Leiterbahn breit ist, wirkt die Leiterbahn wie ein kleiner Kühlkörper für das Via.

Es gibt noch einige andere Punkte, die bei dieser Analyse zu beachten sind. So werden Kupferlagen nicht berücksichtigt. Flächen wirken wie eine große Wärmesenke und reduzieren die Temperatur der Leiter weiter. Ferner werden alternative Substrate mit hoher Wärmeleitfähigkeit (z. B. Keramik- oder Metallkern-Leiterplatten) den Leitern noch mehr Wärme entziehen, was zu einer niedrigeren Gleichgewichtstemperatur aller Leiter führt.

Beurteilung

Solange Ihre PCB-Leiterbahnen entsprechend den im IPC-2152-Standard festgelegten Mindestleiterbahnbreiten dimensioniert sind und Ihre Vias eine ausreichend dicke Beschichtung aufweisen, müssen Sie sich höchstwahrscheinlich keine Sorgen über einen Temperaturanstieg in Ihren Vias machen.

Die überschüssige Wärme im Inneren des Vias wird in das Substrat und die nahegelegenen Leiterbahnen abgeführt. Sind die Leiterbahnen sehr breit, haben sie im Vergleich zum Via eine größere Oberfläche, über die die Wärme abgeführt werden kann. In diesem Fall verlässt die Wärme die Leiterbahn schneller, als sie das Via verlässt, sodass die Leiterbahn eine niedrigere Gleichgewichtstemperatur erreicht. Dies wurde in der experimentellen Studie von Douglas Brooks und Johannes Adam im SIJ bestätigt.

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