Forum: Platinen Dimensionen von Thermal Vias


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von Neuling (Gast)


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Hallo Zusammen,

Ich erstelle gerade eine Leiterplatte und frage mich, welche Abmessungen 
(Lochdurchmesser, Enddurchmesser) sich am besten für thermal Vias 
eignen? Welcher Abstand zwischen den Vias eignet sich gut und wie viele 
Vias benötige ich für einen bestimmten Wärmewiderstand?
Ich möchte ca 7W über thermal Vias durch ein PCB (6 Layer) loswerden. 
Das Bauteil selbst hat ca 6mm x 6mm. Ich habe nun unter dem Bauteil ein 
grosses Polygon angelegt umd die Wärme auf eine grössere Fläche zu 
verteilen und will die Wärme mit einem Array von 8x8 Vias auf die andere 
Seite der Platine bringen. Dort habe ich dann einen Kühlkörper der die 
Wärme abführt.

Leider kenne ich die Materialstärke der "Wand" des Vias nicht. Meist 
werden hier 26um genannt. Wenn ich das Via mit einer Bohrung von 0.4mm 
annehme und als Hohlzylinder modelliere komme ich auf einen 
Wärmewiderstand (1.6mm PCB Stärke) von 139K/W für ein Via. Bei 64 Vias 
in einem Rechteck also 2.2K/W durch das PCB. Kommt mir irgendwie viel zu 
optimistisch vor. Ist das realistisch oder gibts da Erfahrungswerte?

Das nächste Problem: Welchen minimalen Lochabstand muss ich einhalten? 
Viele PCB Hersteller geben hier einen minimalen Abstand zwischen 
Bohrlöchern an, aber wird der auch noch erreicht wenn ich ein dicht 
zusammenliegendes Array von Löchern haben will? Die Stabilität des 
Materials nimmt ja doch deutlich ab, wenn ich das PCB mit Löchern 
"durchsiebe".

von eagle user (Gast)


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Einfache Daumenregel:
Das Kupfer der Hülse leitet besser als die Luft in der Bohrung.

von Georg (Gast)


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Neuling schrieb:
> komme ich auf einen
> Wärmewiderstand (1.6mm PCB Stärke) von 139K/W für ein Via

Das ist realistisch, aber nur für die DK-Hülsen der Vias. 
Übergangswiderstände vom IC zu den Vias und von den Vias auf einen 
Kühlkörper sind da nicht drin, und sie dürften auch sehr schwer zu 
berechnen sein.

Ich kann dir nur eines empfehlen, wenn die Frage wirklich wichtig ist: 
mach ein Muster mit Vias wie gedacht und miss selbst welche Temperaturen 
sich bei welcher Leistung einstellen.

Georg

von Falk B. (falk)


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@Neuling (Gast)

>Leider kenne ich die Materialstärke der "Wand" des Vias nicht. Meist
>werden hier 26um genannt. Wenn ich das Via mit einer Bohrung von 0.4mm
>annehme und als Hohlzylinder modelliere komme ich auf einen
>Wärmewiderstand (1.6mm PCB Stärke) von 139K/W für ein Via.

http://oliverbetz.de/pages/PIM/FormelSammlung#W.C3.A4rmeleitf.C3.A4higkeit

Kann sein, da gab es auch mal einen Online-Rechner.

http://circuitcalculator.com/wordpress/2006/03/12/pcb-via-calculator/

Wie belastbar die Ergebnisse sind weiß ich nicht.

>Das nächste Problem: Welchen minimalen Lochabstand muss ich einhalten?
>Viele PCB Hersteller geben hier einen minimalen Abstand zwischen
>Bohrlöchern an, aber wird der auch noch erreicht wenn ich ein dicht
>zusammenliegendes Array von Löchern haben will? Die Stabilität des
>Materials nimmt ja doch deutlich ab, wenn ich das PCB mit Löchern
>"durchsiebe".

Naja, man sollte es nicht übertreiben. Zwischen den Bohrungen sollten 
schon um die 0,2-0,3mm Material stehen bleiben.

von Falk B. (falk)


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von Christian B. (luckyfu)


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Die Thermal-Vias müssen mindestens den Bohrdurchmesser haben wie ihn 
auch die restlichen Leitervias haben. Prinzipiell hat eagle user recht 
mit seiner Aussage. Ich fertige sie auch immer so klein wie möglich und 
das hat einen Grund, worauf ich diesbezüglich eingehe:

Neuling schrieb:
> Das nächste Problem: Welchen minimalen Lochabstand muss ich einhalten?
> Viele PCB Hersteller geben hier einen minimalen Abstand zwischen
> Bohrlöchern an, aber wird der auch noch erreicht wenn ich ein dicht
> zusammenliegendes Array von Löchern haben will? Die Stabilität des
> Materials nimmt ja doch deutlich ab, wenn ich das PCB mit Löchern
> "durchsiebe".

Thermal Vias sind nur Sinnvoll bei SMD Bauteilen, welche eine 
entsprechende Kühlfläche haben. Da diese aber auch angelötet werden muss 
kann ich nicht via neben Via setzen, denn dann hab ich keinen Platz mehr 
für die Lötpaste. Nun kann man natürlich das komplette Thermal als 
Pastenpad definieren. Das wird jedoch sehr oft zu Fehlern führen, da 
dann das Lötzinn in die Vias verschwindet. Es fehlt dann dort, wo es 
gebraucht wird. Nun könnte ein kluger Mensch auf die Idee kommen: dann 
lasse ich die Vias eben Luftdicht verschließen, das kostet kaum mehr. 
Ja, dann fließt kein Zinn mehr in die Löcher, aber ich habe noch größere 
Probleme, denn dann hab ich Luft in den Stubs. Diese wird beim Erhitzen 
im Reflowprozess deutlich mehr Volumen benötigen als auf der 
Rakelmaschine bei Zimmertemperatur. Die Folge: Das Zinn spritzt 
regelrecht unter dem IC hervor, bildet dann Kügelchen die unkontrolliert 
irgendwo anhaften. Eine alternative ist: das "richtige" Via Plugging, 
wobei das Via nach dem Erstellen der Durchkontaktierung verschlossen 
wird, die Platine anschließend nochmals in die Galvanik geht und eine 
glatte, homogene Oberfläche entsteht. Das würde in der Tat 
funktionieren, ist aber sehr teuer.
Ich mache es deshalb so, daß ich die Vias in einem Abstand zueinander 
positioniere und dazwischen Lötpaste aufbringen lasse. Dadurch habe ich 
soviel Abstand zum Loch, daß mir die Paste nicht abhaut, ich habe aber 
genug, das das Bauteil sauber verlötet wird aber auch nicht zu viel, 
denn sonst würde das Bauteil auf dem Kühlpad schwimmen und am ende die 
Anschlussbeinchen nicht mehr richtig verlötet werden. Ich hab mal ein 
Bild angehangen, wie so etwas dann bei mir aussieht.

von Neuling (Gast)


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Danke für den Link Falk, der hat etwas geholfen. Das scheint tatsächlich 
nicht ganz so furchtbar schlecht zu sein wie ich zunächst befürchtet 
habe. Dass das Zinn in die Vias fliesst ist mir bewusst, da der Prototyp 
handgelötet wird sollte das trotzdem gehen.

von Cerberus (Gast)


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Neuling schrieb:
> Dass das Zinn in die Vias fliesst ist mir bewusst, da der Prototyp
> handgelötet wird sollte das trotzdem gehen.

Nix ist dir bewusst, denn...

Selbst geätzt oder Industriell gefertigt?

-Beim erstgenannten hat man keine Dukos(Platierung in den Bohrungen)
und daher fließt da auch kein Zinn durch die Bohrung.
-Bei letztgenannten, sind die Vias gewöhnlich mit Lötstopplack
bedeckt sind (Tending) und daher kann da auch kein Zinn rein fließen.

Wer industrielle Platinen ohne Lötstopplack verarbeitet, kann diese
Problem bekommen, aber warum sollte man das machen? Dürfte von den
Kosten sich kaum bemerkbar machen.

von Soul E. (souleye) Benutzerseite


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Cerberus schrieb:

> -Bei letztgenannten, sind die Vias gewöhnlich mit Lötstopplack
> bedeckt sind (Tending) und daher kann da auch kein Zinn rein fließen.

Vias innerhalb thermal pads sind grundsätzlich offen, damit 
Flussmitteldampf abziehen kann. Sonst verrutscht das Bauteil. 
Lotverluste vermeidet man, indem man die Vias beim Pastendruck ausspart. 
D.h. die Schablone ist unterhalb des Käfers kariert, und die Vias sitzen 
in den Stegen zwischen den Löchern.

von Falk B. (falk)


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@ soul eye (souleye)

>Lotverluste vermeidet man, indem man die Vias beim Pastendruck ausspart.
>D.h. die Schablone ist unterhalb des Käfers kariert, und die Vias sitzen
>in den Stegen zwischen den Löchern.

Und du denkst, daß sich das Lötzinn daran halten wird, wenn dort keine 
Begrenzungen mit Lötstoplack sitzen?

In gewisser Weise ist der Verlust an Lötzinn durch die VIAs sogar 
vorteilhaft, denn bei vielen ICs mit Thermal Pad darf/sollte man so oder 
so nur die Hälfte der Fläche mit Lotpaste bedrucken, weil sonst der IC 
dort aufschwimmt und die Pins am Rand ggf. unsicher gelötet werden.

von Christian B. (luckyfu)


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Falk B. schrieb:
> Und du denkst, daß sich das Lötzinn daran halten wird, wenn dort keine
> Begrenzungen mit Lötstoplack sitzen?

Dann bist du der Erste, der auf Thermal Flächen die Vias mit Lötstopp 
trennt. Oder hab ich das falsch verstanden? Sprich: Das Bauteil liegt 
dann auf dem Lötstopp auf?

Das kann ich mir beim besten willen nicht vorstellen, hast du davon ein 
Foto?

von Cerberus (Gast)


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soul e. schrieb:
> Vias innerhalb thermal pads sind grundsätzlich offen, damit
> Flussmitteldampf abziehen kann.

Sagt wer? Cadsoft?

> Sonst verrutscht das Bauteil.

Was hat eine Via mit einem Bauteil zu tun? Via ist die englische
Übersetzung für einen Durchsteiger und der ist erst mal Bauteilpin-
neutral, denn bei SMT-Pads gibts keine Duko.
Das bei THT ein Pad auch eine Via ist, ist aber im Sprachgebrauch
nicht üblich, z.B. Pads-Via. Jeder weiß, dass das Dukos sind.
Gewöhnlich werden in CAD-Systemen Pads und Vias schön getrennt gehalten.
Hier, unter "Bestückung" wirds auch so beschrieben.
https://de.wikipedia.org/wiki/Durchkontaktierung

Entweder sind jetzt umgangssprachlich Pads (Bauteil) gemeint
oder Vias (kein Bauteil) und das gilt grundsätzlich.

Hier mal vereinfacht:
    Pad   Via
THT Duko  Duko
SMT  -    Duko

Ein Thermal macht man aber nicht in der Regel wegen einem Bauteil,
sondern wegen einer Kupferfläche, oft auch als Massefläche verbreitet
und beim Löten, insbesondere Handlöten ist das berüchtigt, weil
sonst so viel Wärme abgeleitet wird, dass das ganze zur Tortur wird.

> Lotverluste vermeidet man, indem man die Vias beim Pastendruck ausspart.

Vias und Pastendruck in SMT passen nicht zusammen, weil das nur
bei Pads verwendet wird. Steht auch in dem verlinkten Wiki.

> D.h. die Schablone ist unterhalb des Käfers kariert, und die Vias sitzen
> in den Stegen zwischen den Löchern.

Dann würde ich bei einem Bauteil die nicht als Vias (auch wenn es 
technisch welche sind), als solche, sondern die als Pads bezeichnen,
so wie in CAD-Systemen üblich.

von Falk B. (falk)


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@ Christian B. (luckyfu)

>> Und du denkst, daß sich das Lötzinn daran halten wird, wenn dort keine
>> Begrenzungen mit Lötstoplack sitzen?

>Dann bist du der Erste, der auf Thermal Flächen die Vias mit Lötstopp
>trennt.

Glaub ich nicht.

> Oder hab ich das falsch verstanden? Sprich: Das Bauteil liegt
>dann auf dem Lötstopp auf?

Nicht wirklich, denn der ist nur ~10um dick.

>Das kann ich mir beim besten willen nicht vorstellen, hast du davon ein
>Foto?

Nein. Es gibt aber Layouthinweise, wo eben das Thermal Pad mit einem 
Karomuster bedruckt wird und nicht mit einer Vollfläche.

von Christian B. (luckyfu)


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Cerberus schrieb:
> Ein Thermal macht man aber nicht in der Regel wegen einem Bauteil,
> sondern wegen einer Kupferfläche, oft auch als Massefläche verbreitet
> und beim Löten, insbesondere Handlöten ist das berüchtigt, weil
> sonst so viel Wärme abgeleitet wird, dass das ganze zur Tortur wird.

Cerberus schrieb:
> Vias und Pastendruck in SMT passen nicht zusammen, weil das nur
> bei Pads verwendet wird. Steht auch in dem verlinkten Wiki.


Wenn man keine Ahnung hat...  Den Rest des Satzes kannst du dir bei 
Dieter Nuhr ansehen / anhören.

Falk B. schrieb:
> Nicht wirklich, denn der ist nur ~10um dick.

Würth Elektronik geht von 5-45µm aus. Auf Leiterzügen immer noch 10-25µm 
eine ziemlich große Streuung.

Falk B. schrieb:
> Nein. Es gibt aber Layouthinweise, wo eben das Thermal Pad mit einem
> Karomuster bedruckt wird und nicht mit einer Vollfläche.

Gib mir dafür doch ein Beispiel. Ich hab sowas noch nie gesehen und will 
auch weiterlernen. Das interessiert mich einfach, weil ich es mir nicht 
vorstellen kann, daß sowas gemacht wird.

von Sebastian (Gast)


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Bei uns werden Thermal Vias grundsätzlich gepluggt. Reichen Vias nicht 
mehr aus, dann wird in die PCB ein Loch gebohrt bzw. gestanzt und mit 
einem Kupferkern verpresst. Man kann die PCB auch mit Alukern 
verpressen, wer das Geld hat.

von Falk B. (falk)


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@Christian B. (luckyfu)

>> Nicht wirklich, denn der ist nur ~10um dick.

>Würth Elektronik geht von 5-45µm aus. Auf Leiterzügen immer noch 10-25µm
>eine ziemlich große Streuung.

Schön, aber ein Pastendruck ist typisch 150um dick. Der IC schwimmt auf 
dem Lötzinn und sitzt nicht auf der Platine und dem Lötstoplack auf.

>> Nein. Es gibt aber Layouthinweise, wo eben das Thermal Pad mit einem
>> Karomuster bedruckt wird und nicht mit einer Vollfläche.

>Gib mir dafür doch ein Beispiel.

Hab ich im Moment keins, frag mal die Google Bildersuche

von Christian B. (luckyfu)


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Falk B. schrieb:
> Hab ich im Moment keins, frag mal die Google Bildersuche

hab ich gemacht: 
https://electronics.stackexchange.com/questions/179361/thermal-pads-under-ic-how-to-place-vias-without-soldermask-decoupling-questio 
kam dabei heraus. Allerdings sprechen die sich auch degegen aus...

Tatsächlich steht dort:
>TI recommends using solder-mask-defined thermal pads without solder mask
>around the thermal vias. Solder going though the holes and causing voids
>(not shorts) is said to not be a problem if the via hole diameter is kept
>to 0.3mm or less.

von Cerberus (Gast)


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Christian B. schrieb:
> Wenn man keine Ahnung hat...

Christian B. schrieb:
> Gib mir dafür doch ein Beispiel. Ich hab sowas noch nie gesehen und will
> auch weiterlernen. Das interessiert mich einfach, weil ich es mir nicht
> vorstellen kann, daß sowas gemacht wird.

Wer so ne dicke Lippe riskiert, darf selber suchen. Wäre ja noch 
schöner.

Christian B. schrieb:
> Tatsächlich steht dort:
>>TI recommends using solder-mask-defined thermal pads without solder mask
>>around the thermal vias. Solder going though the holes and causing voids
>>(not shorts) is said to not be a problem if the via hole diameter is kept
>>to 0.3mm or less.

Roh übersetzt:
TI empfiehlt, Lötmasken-definierte thermische Pads ohne Lötmaske um die 
thermischen Durchkontaktierungen zu verwenden. Lot geht durch die Löcher 
und verursacht Hohlräume (nicht bei den kurzen) soll kein Problem sein, 
wenn der Durchgangslochdurchmesser auf 0,3 mm oder weniger gehalten 
wird. Abstand von 1mm wird vorgeschlagen, und natürlich sollten die 
Durchgänge keine thermischen Reliefs haben.

Das ist wie dort steht, nur ein VORSCHLAG, aber keine allgemein gültige
Weisheit. Da hat jeder Konstrukteur seine Freiheiten, dass so oder so zu
machen, mit den Vor- und Nachteilen. Ich würde Tending machen.

von Mike (Gast)


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Hallo

Ich separiere das Exposed-Pad in kleine Quadrate und dazwischen habe ich
meine VIAs für thermische Anbindung und elekt. Verbindung. Zwischen den 
Quadraten befindet sich Lötstoplack. Dort wo die kleinen Quadrate sind 
wird Lötpaste aufgedruckt.
Siehe Bild

Und warum habe ich das so gemacht:
Eine thermische Anbindung beim Exposed PAD mit VIAs ist oft notwendig.
Die VIAs sollen nicht in der Pastenfläche sein, da sonst die Paste auf 
die andere PCB-Seite im Reflowprozess fließen kann.
Ein Pluggin der VIAs kann entfallen, wenn die VIAs getrennt von den 
Pasten-Flächen sich befinden und wenn um die VIAs Lötstoplack sich 
befindet. Die VIAs können auch mit Lötstoplack überdeckt sein.

mfg
Mike

von Thermas (Gast)


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Cerberus schrieb:
> Wer so ne dicke Lippe riskiert, darf selber suchen. Wäre ja noch
> schöner.

Wer lesen kann...Er hat Falk gemeint und nicht dich.

von Bla (Gast)


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Mike schrieb:
> Dort wo die kleinen Quadrate sind wird Lötpaste aufgedruckt.

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