Eine Überprüfung des Thermischen Widerstandsmanagements bei Leiterplatten mit Thermischen Vias

Das Design von PCBs und das thermische Management sind eng miteinander verbunden, da thermische Probleme bekanntermaßen die nützliche Lebensdauer einer Leiterplatte und ihrer Komponenten erheblich reduzieren können. Die in einer Leiterplatte durch aktive und passive Komponenten erzeugte Wärme neigt dazu, in der Nähe der Komponenten eingeschlossen zu werden, was aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit der meisten Leiterplattensubstrate zu einem hohen Temperaturanstieg führt. Häufiges Wechseln einer Leiterplatte und ihrer Komponenten zwischen hohen und niedrigen Temperaturen wird die Langlebigkeit Ihres Systems verringern und kann zu vorzeitigem Ausfall von Komponenten oder Kupferleitern führen.

Jeder Designer sollte überlegen, wie die von ihren Komponenten erzeugte Wärme mit einer Kombination von Strategien verwaltet werden kann. Unter diesen verschiedenen Strategien können Designer die Verwendung eines Wärmepads und eines Kühlkörpers auf jeder aktiven Komponente, kreative Nutzung von Kupferebenen auf inneren Schichten, Substratmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit und thermische Vias in der Nähe von aktiven Komponenten, die viel Leistung verbrauchen, nutzen. Die strategische Platzierung von Komponenten ist auch wichtig, um die Bildung von Hotspots auf Ihrer gedruckten Schaltkarte zu verhindern.

Dank der Entwurfs- und Analysewerkzeuge in Altium Designer können Sie eine Strategie entwickeln, die dabei hilft, die Temperatur Ihrer Platine trotz des hohen thermischen Widerstands der meisten PCB-Substratmaterialien innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten. Die PCB-Layoutwerkzeuge ermöglichen es Ihnen, Ihre Platine mit thermischen Vias, passiven und aktiven Kühlmaßnahmen sowie Substraten mit hoher thermischer Leitfähigkeit und individuellem Stackup zu entwerfen.

ALTIUM DESIGNER

Eine einheitliche PCB-Designplattform, die fortschrittliche PCB-Layoutfunktionen mit umfassenden Via- und Pad-Designfunktionen integriert.

Die Komponenten auf jeder Schaltplatine werden während des Betriebs etwas Wärme erzeugen, und der proaktive Entwickler wird Schritte unternehmen, um einem übermäßigen Temperaturanstieg während des Betriebs entgegenzuwirken. Wenn Sie jemals einen übertakteten Gaming-PC gesehen haben, dann sind Ihnen die massiven Kühlventilatoren und sogar Flüssigkeitskühlsysteme bekannt, die verwendet werden, um Wärme von Grafikkarten und Prozessoren abzuführen. Höchstwahrscheinlich benötigt Ihre PCB nicht solch extreme Maßnahmen zur Wärmeableitung. Dennoch sollten Sie überlegen, wie Sie Wärme von Ihren Komponenten entfernen und eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf Ihrer Platine erzeugen können.

Die hohe thermische Beständigkeit vieler Leiterplatten-Substrate kann dazu führen, dass sich in der Nähe aktiver Komponenten Hotspots bilden. Diese Hotspots neigen dazu, sich in der Nähe aktiver Komponenten anzusammeln, die eine erhebliche Menge an Wärme erzeugen. Unter den verschiedenen Methoden zur Bekämpfung des Temperaturanstiegs auf einer PCB sind thermische Vias besonders nützlich, um Wärme von aktiven Komponenten weg und in eine innere Schicht Ihres Stapels zu transportieren.

Das Platzieren thermischer Vias unter einem Pad mit einem die-attached Paddle mit der richtigen Anzahldichte ist eine Methode, um Wärme in eine innere Platinenschicht zu transportieren. Die besten Ergebnisse sehen Sie, wenn Sie die Anzahl und Anordnung der thermischen Vias unter der betreffenden Komponente optimieren. Wenn dies mit anderen Kühlmethoden kombiniert wird, wie der Verwendung eines Kühlkörpers und eines thermischen Pads auf jeder aktiven Komponente sowie einigen aktiven Kühlmaßnahmen, können Sie die Temperatur Ihrer Komponenten unter ihren maximal zulässigen Werten halten und die Lebensdauer Ihrer Leiterplatte verlängern.

Was sind thermische Vias?

Da viele aktive Komponenten, wie Geräte für die Leistungselektronik, Hochgeschwindigkeitsprozessoren und Hochfrequenzkomponenten, während des Betriebs erhebliche Wärme erzeugen, benötigen diese Geräte eine Methode zur thermischen Ableitung, um ihre Betriebstemperatur unterhalb des zulässigen Höchstwerts zu halten. Thermische Vias sind einfach Vias, die unter einer Komponente platziert werden und durch einen Stackup hindurchgehen. Diese Vias können sich mit der Masseebene im Stackup verbinden, um Wärme auf eine innere Schicht zu übertragen, wo die Wärme dann durch die Masseebene zum Rest der Platine geleitet wird.

Thermische Vias können als Durchkontaktierungsvias platziert werden, sodass sie die thermische Ableitung durch den gesamten Stackup bieten. Der Ring dieser thermischen Vias sollte durch die Lötstopmaske auf der Oberflächenschicht unterhalb der Zielkomponente sichtbar sein. Sie können an das Die-Attach-Pad gelötet werden, um eine gleichmäßige thermische Leitfähigkeit durch die Struktur zu gewährleisten. Diese Vias mit einem Epoxid zu füllen oder zu plattieren, ist ebenfalls eine gute Idee, da dies verhindert, dass Lötzinn durch die Vias auf die Rückseite der Platine gezogen wird. Wenn Sie die Temperaturverteilung auf der Platine untersuchen, werden Sie feststellen, dass sich die Temperaturverteilung in der Oberflächen- und Innenschicht ausbreitet, je weiter man sich von einem thermischen Via entfernt.

Wärmetransport weg von thermischen Vias in das Substrat der Leiterplatte

Anordnung von thermischen Vias unterhalb einer SMD-Komponente

Viele Komponenten, wie beispielsweise Komponenten in QFP-Gehäusen, enthalten eine mit dem Die verbundene Paddle auf der Unterseite der Komponente, und thermische Vias sollten in einem geeigneten Muster unterhalb der Komponente angeordnet werden. Das Platzieren der richtigen Anzahl thermischer Vias mit dem geeigneten Abstand zwischen ihnen optimiert die effektive thermische Leitfähigkeit der Struktur, wodurch die maximale Menge an Wärme in das Substrat transportiert und die Temperatur näher an die Umgebungstemperatur gebracht wird. Im Allgemeinen sollten Sie sich für mehr thermische Vias entscheiden, solange Sie sich innerhalb Ihres Fertigungsbudgets bewegen.

Beispielabstand von thermischen Vias auf einer Leiterplatte

Da viele Leiterplatten auf einem FR4-Substrat entworfen werden, erfordert der hohe thermische Widerstand dieses Substratmaterials eine Art von thermischer Ableitungsmethode, um die Temperatur der Platine zu reduzieren. Designer sollten in Erwägung ziehen, thermische Vias mit anderen Methoden der Wärmeableitung zu kombinieren, um die Substrat- und Komponententemperatur auf ein akzeptables Niveau zu bringen. Dies ist besonders wichtig, wenn Ihre Platine wiederholt zwischen hohen und niedrigen Temperaturen zyklisch belastet wird.

• Thermische Vias sind nur ein Teil einer umfassenderen Strategie zur thermischen Verwaltung Ihrer Leiterplatte. Sie sollten andere Methoden der Wärmeableitung einbeziehen, wie einen Kühlkörper, thermische Pads oder Paste und Kühlventilatoren, falls thermische Vias nicht genügend Wärme an eine innere Schicht ableiten. Erfahren Sie mehr über die Entwicklung einer thermischen Managementstrategie für Ihre Leiterplatte.
• Jedes Via in Ihrer Leiterplatte beeinflusst Ihr Fertigungsbudget, und Sie sollten den Fertigungsprozess und das Budget der Leiterplattenherstellung sorgfältig berücksichtigen, wenn Sie thermische Vias platzieren.

  Erfahren Sie mehr über den Herstellungs- und Montageprozess von Leiterplatten.

• Wie auch andere Kupferleiter in Ihrer Leiterplatte sollten thermische Vias gemäß Ihren Designregeln und -beschränkungen platziert werden.

  Erfahren Sie mehr über die Verwendung von Designregelprüfungen in Ihrer PCB-Designsoftware.

Via-, Pad- und Polygon-Designregeln in Altium Designer

Ihr Substrat, thermische Vias und Wärmeübertragung

Auch wenn Sie thermische Vias verwenden, können Sie nicht garantieren, dass die Temperatur Ihrer Platine auf einen ausreichend niedrigen Wert sinkt. Dies gilt insbesondere, wenn Ihre Platine in einer Umgebung mit höherer Temperatur eingesetzt wird oder in einem Teil Ihres Systems, der eine höhere Temperatur erreichen wird. Während Ihre Platine in Betrieb ist, wird der thermische Gradient zwischen Ihren Komponenten und der Umgebung geringer sein, was die Rate des Wärmeübergangs zwischen heißen und kalten Regionen reduziert.

Dies ist der Punkt, an dem die Verwendung eines Substrats mit hoher thermischer Leitfähigkeit nützlich ist, um Wärme schnell von aktiven Komponenten wegzutransportieren. Keramiken sind eine der besten Wahlmöglichkeiten für Substratmaterialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit. Eine andere Option ist die Verwendung einer Metallkern-Platine; der dicke Kupferkern wird im Vergleich zu einem Standard-FR4-Stackup eine erhebliche thermische Dissipation bieten. Wenn dies mit thermischen Vias kombiniert wird, hilft Ihr Substrat und Stackup dabei, dass Wärme leicht seitlich durch Ihre Platine bewegt wird, was zu einer gleichmäßigeren Gleichgewichtstemperatur während des Betriebs führt. Dies führt zu einer gleichmäßigeren thermischen Ausdehnung Ihrer PCB, wodurch interner Stress weniger konzentriert in verschiedenen Kupferleitern in Ihrem System ist.

Andere Methoden des thermischen Managements

Andere Methoden des thermischen Managements auf Ihrer Leiterplatte können sicherstellen, dass die Temperatur Ihrer Platine näher an die Umgebungstemperatur herankommt. Zu diesen Methoden gehört das Anbringen eines Kühlkörpers an Hochgeschwindigkeitsprozessoren und anderen wichtigen Komponenten. Ein thermisches Pad auf einem Kühlkörper hilft, einen Weg mit hoher thermischer Leitfähigkeit für die Wärmeabfuhr von einer Komponente zu bieten. Wenn Sie eine große Anzahl von Hochleistungskomponenten auf Ihrer Platine haben, haben Sie möglicherweise keine andere Wahl, als Lüfter in Ihr Design einzufügen, um Wärme von wichtigen Komponenten zu entfernen.

Ihr Substratmaterial und Ihr Lagenstapel sollten ebenfalls mit Blick auf den Wärmetransport weg von der Oberflächenschicht Ihrer Leiterplatte entworfen werden. Die hohe thermische Leitfähigkeit von Kupfer in einer inneren Schicht Ihrer PCB kann Wärme leicht von thermischen Vias weg und zu den Rändern der PCB transportieren. Auch die Anordnung Ihrer Komponenten ist sehr wichtig. Komponenten, die die meiste Wärme erzeugen, sollten näher am Zentrum der Platine und nicht an einem Rand platziert werden, da dies ermöglicht, dass Wärme über eine größere Fläche in Ihrer PCB verteilt wird.

• Ihre thermischen Vias sollten so gestaltet sein, dass sie den IPC 2152 Standards für thermische Leistung entsprechen. Erfahren Sie mehr darüber, wie Sie gemäß den IPC 2152 Richtlinien entwerfen.
• Es gibt viele passive Methoden zur Wärmeableitung, die Sie nutzen können, um die Temperatur Ihrer Leiterplatte zu kontrollieren.

  Erfahren Sie mehr über passive Wärmemanagementtechniken für Ihre Platine.

• Ein alternatives Substratmaterial ist eine ausgezeichnete Wahl, um Wärme von heißen zu kalten Bereichen auf Ihrer Platine zu übertragen und schnell in die Umgebung abzuleiten.

  Erfahren Sie mehr über die Arbeit mit alternativen Substratmaterialien.

Ihr Substratmaterial und Ihr Stackup bestimmen den thermischen Widerstand auf Ihrer Platine

Arbeiten mit Thermal Via Design Software

Thermal Via Design Software verwendet CAD-Tools, um die Standardgeometrie für Ihre Vias und deren Spannweite durch Ihren Lagenstapel zu definieren. Mit den richtigen Layout-Tools für Leiterplatten können Sie die Geometrie und Anordnung Ihrer thermischen Vias entwerfen, um eine umfassende Strategie für das thermische Management zu erstellen. Die beste Software für das Design thermischer Vias beinhaltet auch Funktionen für das Stackup-Design. Dies ermöglicht es Ihnen, interne Kupferschichten zu definieren, die helfen, Wärme durch Ihre PCB zu leiten. Diese Tools sollten neben Ihren anderen wichtigen Routing- und Layout-Funktionen zugänglich sein und bieten eine komplette Lösung auf einer einzigen Plattform.

Komplettes Thermal Via Design und Layout in Altium Designer

Mit den umfassenden Stapel- und Wärmevia-Funktionen von Altium Designer können Sie problemlos Ihren Lagenstapel, Wärmevias und Layout in einem einzigen Programm erstellen. Die CAD-Tools von Altium Designer sind zugänglich neben einem kompletten Satz von Simulations- und Produktionsplanungsfunktionen.

• Die integrierte Designumgebung in Altium Designer bietet alle CAD-Tools, die Sie in einer einzigen Anwendung benötigen. Sie haben Zugriff auf wichtige Funktionen für das Design und Layout von Wärmevias in einem einzigen Programm. Erfahren Sie mehr über einheitliches Design in Altium Designer.
• Die Arbeit mit regelbasierten Leiterplattendesign-Software ermöglicht es Ihnen, wichtige Designregeln und -beschränkungen für Ihre Platine zu definieren. Dies hilft, Funktionalität und Herstellbarkeit sicherzustellen. Erfahren Sie mehr über den regelbasierten Designmotor von Altium Designer.
• Mit der Materialstapelbibliothek von Altium Designer können Sie aus einer großen Auswahl an Standardsubstratmaterialien mit hoher oder niedriger Wärmeleitfähigkeit und verschiedenen elektrischen Eigenschaften wählen. Erfahren Sie mehr über die Materialstapelbibliothek von Altium Designer.

Die CAD-Tools und Verwaltungsfunktionen in Altium Designer sind ideal für das Design von thermischen Vias, Komponentenlayout und Platzierung von aktiven und passiven Kühlmaßnahmen, um den Wärmetransfer in Ihrem System zu unterstützen. Sie werden in der Lage sein, Ihr Via-Layout und die Fertigungsanforderungen als Designregeln und Einschränkungen zu definieren. Sie haben auch Zugang zu einem leistungsstarken Satz von Simulations- und Analysefunktionen in einer einzigen Anwendung. Wenn Sie die Materialstapelbibliothek und umfangreiche Komponentenbibliotheken hinzufügen, haben Sie alle Funktionen, die Sie benötigen, um Leiterplatten mit einer leistungsstarken Wärmemanagementstrategie zu entwerfen und sie zur Produktion zu bringen.

Nur Altium bietet Ihnen eine riesige Auswahl an Ressourcen für das Design von gedruckten Schaltungen. Sie haben Zugang zum AltiumLive-Forum, Webinaren und Podcasts mit Branchenexperten, Designtutorials und einer umfangreichen Wissensdatenbank mit vielen Designtipps. Kein anderes PCB-Designsoftwareunternehmen bietet Ihnen dieses Niveau an Unterstützung. Anstatt mit Plattformen für das Design von gedruckten Schaltungen zu arbeiten, die Ihre wichtigen Designfunktionen in verschiedenen Anwendungen trennen, ist es an der Zeit, einen integrierten Ansatz für Design und Layout zu wählen. Es ist Zeit, den Wechsel zu Altium Designer zu machen.