Wärmeableitung von TO-252/DPAK

[Manuel K. (mogs)]

Hallo zusammen,

Ich habe da mal eine Frage zu TO-252 bzw. DPAK Bauteilen und 
Wärmeableitung.

Vorweg will ich noch erwähnen, dass das ein Hobby-Projekt ist, das 
einfach nachzubauen sein soll, also nur mittels Lötkolben ohne Hot Air 
Gun, Ofen, oder Bestückung durch Dritte :)

Wie auf dem Bild zu sehen, möchte ich die Fläche um das Bauteil herum 
mit der gleichen Zone füllen, die auch das große Pad des Bauteils hat, 
wo also die Wärme abgeführt werden kann.

Nun habe ich ja die Möglichkeit das Pad mittels “Thermal Relief” zu 
konfigurieren (links) oder als “Solid” (rechts). Soweit ich das 
verstanden habe nimmt man die linke Variante vor allem fürs Löten von 
Hand, denn bei der rechten Variante verteilt sich wahrscheinlich die 
Hitze zu schnell, was das Löten schwieriger macht.
1. Ist das korrekt?
2. Ist es dennoch möglich die rechte Variante per Hand zu Löten ohne 
Lötstation mit mehrere hundert Watt? Denn aus Sicht der Wärmeableitung 
wäre das ja die zu bevorzugende Variante.

Außerdem würde ich gerne mittels Vias die Wärme noch auf eine der 
innenliegenden 0,5oz Schichten übertragen. Soweit ich das gesehen habe, 
macht man das normalerweise mit capped Vias unter dem Pad (kann JLCPCB 
nicht und wäre wahrscheinlich auch teuer).
Ich habe aber auch schon mehrfach gesehen, dass ungefüllte Vias unter 
dem Pad platziert werden, was das Löten per Hand aber nicht gerade 
einfacher macht (das beißt sich mit der Anforderung oben :).

Zuletzt habe ich aber auch gelesen, dass jemand die Vias um das große 
Pad herum platziert und über ganz kurze Tracks mit dem Pad verbindet, 
was das Löten per Hand auf dem großen Pad wieder problemlos ermöglichen 
soll.
Hat damit jemand hier Erfahrung?

Was würdet ihr mir empfehlen, wenn ich einen etwas besseren 
Wärmetransport haben will als einfach nur das Bauteil mit Thermal Relief 
und Kupfer-Fläche auf der gleichen Seite?

Viele Grüße,
mogs

[Mike (Gast)]

Manuel K. schrieb:
> Nun habe ich ja die Möglichkeit das Pad mittels “Thermal Relief” zu
> konfigurieren (links) oder als “Solid” (rechts). Soweit ich das
> verstanden habe nimmt man die linke Variante vor allem fürs Löten von
> Hand, denn bei der rechten Variante verteilt sich wahrscheinlich die
> Hitze zu schnell, was das Löten schwieriger macht.
> 1. Ist das korrekt?

Ja;
Thermal Reliefs werden auch für die maschinelle Bestückung verwendet.

Manuel K. schrieb:
> 2. Ist es dennoch möglich die rechte Variante per Hand zu Löten ohne
> Lötstation mit mehrere hundert Watt? Denn aus Sicht der Wärmeableitung
> wäre das ja die zu bevorzugende Variante.

Für die rechte Variante benötigt man einen Lötkolben mit viel² Leistung.

Die Wärmeableitung passiert aber nicht nur durch das Kupfer sondern auch
durch das FR4-Material.

Ich habe mal gelesen dass ein Kupferplane mit der Größe von 
1inch²(2.54cm x 2.54cm) völlig ausreichend ist um die Wärme abzuleiten. 
Ein größeres Plane trägt nur unwesentlich mehr zu Wärmeableitung bei. 
Weil die LP selbst Wärme leiten kann.

Manuel K. schrieb:
> Außerdem würde ich gerne mittels Vias die Wärme noch auf eine der
> innenliegenden 0,5oz Schichten übertragen.
Das macht nicht viel Sinn. Besser die Wärme mit DK auf ein Bottom-Plane 
führen. siehe Foto BOT-TO252.png

Versuch doch als ersten Schritt die zu erwartende Verlustleistung zu 
berechnen. Im Datenblatt des Bauteiles unter Thermal Resistance den Wert 
Grad C/W zu finden und daraus mit deiner zu erwartenden Verlustleistung 
deine maximale zulässige Umgebungstemperatur zu errechnen.


Ich verwende immer die Variante mit den Thermal Reliefs.
siehe Fotos.

mfg
Mike

[Soul E. (Gast)]

Mike schrieb:

> Die Wärmeableitung passiert aber nicht nur durch das Kupfer sondern auch
> durch das FR4-Material.

Vergiss es. FR4 ist so ein schlechter Wärmeleiter, die Wärme bleibt 
knallhart an der Kante der Kühlfläche stehen. Die Leiterplatte auf dem 
angehängten Bild ist zweilagig, ca 15 cm breit und wird in der großen 
Fläche von zwei und in der kleinen von einer LED beheizt. Wir gucken 
gerade auf die Rückseite. Die Platte ist komplett mit Kupfer belegt 
(Masse, andere Kühlflächen, ...), d.h. die Wärme müsste in der Ebene nur 
0,3 mm Isolationsspalt überbrücken um die restliche Fläche zu erreichen. 
Tut sie aber nicht.

Was einigermaßen klappt ist bei Vierlagern durch massive Überlappung 
Wärme aus den Außenlagen durch das Prepreg in die Massefläche 
einzukoppeln.

[Falk B. (falk)]

Manuel K. schrieb:

> verstanden habe nimmt man die linke Variante vor allem fürs Löten von
> Hand, denn bei der rechten Variante verteilt sich wahrscheinlich die
> Hitze zu schnell, was das Löten schwieriger macht.
> 1. Ist das korrekt?

Ja.

> 2. Ist es dennoch möglich die rechte Variante per Hand zu Löten ohne
> Lötstation mit mehrere hundert Watt? Denn aus Sicht der Wärmeableitung
> wäre das ja die zu bevorzugende Variante.

Ja, das geht. Mit mindestens 50W und BREITER Lötspitze und ausreichend 
Lötzinn.

> Außerdem würde ich gerne mittels Vias die Wärme noch auf eine der
> innenliegenden 0,5oz Schichten übertragen. Soweit ich das gesehen habe,
> macht man das normalerweise mit capped Vias unter dem Pad (kann JLCPCB
> nicht und wäre wahrscheinlich auch teuer).

Geht auch mit normalen, nicht verschlossenen VIAs, ist ja eh nur ein 
Hobbyprojekt.

> Zuletzt habe ich aber auch gelesen, dass jemand die Vias um das große
> Pad herum platziert und über ganz kurze Tracks mit dem Pad verbindet,
> was das Löten per Hand auf dem großen Pad wieder problemlos ermöglichen
> soll.

Klingt nicht sinnvoll. Auf die Dauer hilft nur Power.
Wieviel W sollen denn abgeführt werden? Viel mehr als 2-3W sind da so 
oder so nicht drin.

[Manuel K. (mogs)]

Danke für eure Antworten.

Mike schrieb:
> Besser die Wärme mit DK auf ein Bottom-Plane
> führen. siehe Foto BOT-TO252.png

Mike schrieb:
> Ich verwende immer die Variante mit den Thermal Reliefs.
> siehe Fotos.

Sehe ich das richtig, dass du auf der oberen Schicht links und rechts 
neben dem Pad etwas Kupferfläche eingebaut hast und dort dann die Vias 
platziert hast, quasi neben dem Pad?
Und auf der Unterseite ist die Kupferfläche dann etwas größer, richtig?

Also so ähnlich wie das was ich am Ende geschrieben hatte, wo Falk B. 
Folgendes dazu geschrieben hatte:

Falk B. schrieb:
> Klingt nicht sinnvoll. Auf die Dauer hilft nur Power.

Aber scheint ja zu gehen?

Mike schrieb:
> Versuch doch als ersten Schritt die zu erwartende Verlustleistung zu
> berechnen. Im Datenblatt des Bauteiles unter Thermal Resistance den Wert
> Grad C/W zu finden und daraus mit deiner zu erwartenden Verlustleistung
> deine maximale zulässige Umgebungstemperatur zu errechnen.

Ausgerechnet habe ich das schon. Ich komme voraussichtlich auf 0,3249 
Watt.

Das Datenblatt listet mehrere "Junction to Ambient" Thermal 
Resistencies:
1) 27 K/W (4 Schichten, 2x70µm, 2x35µm, Thermal Vias Array)
2) 110 K/W (1 Schicht 70µm, Footprint only)
3) 57 K/W (1 Schicht 70µm, 300mm^2 Kupferfläche)
4) 42 K/W (1 Schicht 70µm, 600mm^2 Kupferfläche)

Die max. Junction Temperature liegt bei 150°C.

Im Falle von (2) hätte ich also eine Junction Temperatur von ca. 36°C 
über Ambient. Also dürfte ich theoretisch eine Ambient Temperatur von 
114°C haben. Aber ich denke mal sollte die Möglichkeiten der Platine 
möglichst ausreizen, um die Temperatur so weit wie möglich runter zu 
bekommen :)
Der Fall (2) bezieht sich aber auch auf eine 70µm Kupferschicht. Der 
Standard bei JLCPCB, bei dem ich gerne bleiben würde, sind ja 1oz 
Kupferschichten (2oz kosten das 14-fache).
Ich könnte nun, wie du Mike, obere und untere Schicht verwenden. Dann 
komme ich ja auf 70µm (falls man das so einfach zusammen rechnen kann). 
Dann vielleicht die Kupferfläche um das Pad herum etwas vergrößern und 
ich bewege mich vielleicht zwischen Fall (2) und (3), so zumindest meine 
Idee.
Wenn es noch etwas bringen würde, dann würde ich noch 2 innere Schichten 
dazunehmen (der Aufpreis ist noch ok). Aber nur falls da auch 
Verbesserungen abzusehen wären.

Aber wie groß sollte ich die Kupferflächen oben und unten wählen, damit 
man das noch mit einem "normalen" Lötkolben (sagen wir mal 25W) löten 
kann?
Ich habe oben 12x15mm zur Verfügung und unten habe ich 25x15mm zur 
Verfügung (mehr Platz nach unten wo auf der Oberseite die anderen TO-252 
Pins liegen).

[temp (Gast)]

Manuel K. schrieb:
> Aber wie groß sollte ich die Kupferflächen oben und unten wählen, damit
> man das noch mit einem "normalen" Lötkolben (sagen wir mal 25W) löten
> kann?

Das ist doch ein Widerspruch in sich. Wenn du das mit einem 25W 
Lötkolben löten kannst, ist die Wärmeableitung schlecht und damit das 
Gegenteil von dem was du willst. Also entweder da kannst nach dem Löten 
den Wärmewiderstand senken durch Anschrauben von Kühlflächen oder du 
musst gegen einen niedrigen Wärmewiderstand beim Löten ankämpfen. Oder 
je schwieriger zu löten desto besser die Wärmeleitung, was ja wohl so 
gewollt ist.

[Manuel K. (mogs)]

temp schrieb:
> Das ist doch ein Widerspruch in sich. Wenn du das mit einem 25W
> Lötkolben löten kannst, ist die Wärmeableitung schlecht und damit das
> Gegenteil von dem was du willst. Also entweder da kannst nach dem Löten
> den Wärmewiderstand senken durch Anschrauben von Kühlflächen oder du
> musst gegen einen niedrigen Wärmewiderstand beim Löten ankämpfen. Oder
> je schwieriger zu löten desto besser die Wärmeleitung, was ja wohl so
> gewollt ist.

Genau, im Grunde schon. Deswegen ja die Frage, wie groß die Fläche 
maximal sein darf, damit es noch lötbar ist mit einem 25W Lötkolben. 
Dass in diesem Fall dann auch die Wärmeableitung schlechter ist, ist 
klar. Aber dann ist sie vielleicht immernoch ausreichend für die Kühlung 
des Bauteils unter Betriebsbedingungen (0,3249 Watt). So war meine Idee.

Wenn ihr mir jetzt sagt, dass die Wärmeableitung in meinem konkreten 
Fall generell murks ist, sofern ich es noch mit einem 25W Lötkolben 
löten können möchte, dann ist das natürlich eine Aussage.

Wenn ich mir jedoch Mikes Beitrag oben anschaue, wo die Kupferfläche 
etwas größer zu sein scheint als das Pad, und diese mittels Vias auf 
eine Kupferfläche/Kühlfläche auf der unteren Schicht verbunden ist: Wenn 
das mit so einem einfachen Lötkolben noch zu handlen ist, habe ich doch 
sicher mehr Kühlleistung herausgekitzelt, als einfach nur das Bauteil an 
seinem Pad anzulöten ohne jegliche separate Kupferfläche als Kühlung.
Aber ob Mike's Fall nun mit einem 25W Lötkolben zu löten ist, weiß ich 
nicht.

Deswegen meine Fragen an euch :) Ich möchte einfach das Maximum 
rausholen, was mit so einem einfachen Lötkolben eben geht.

[temp (Gast)]

Manuel K. schrieb:
> damit es noch lötbar ist mit einem 25W Lötkolben

Ich denke keiner der das Hobby ernsthaft betreibt oder damit sein Geld 
verdient lötet ausschließlich mit einem 25W Lötkolben. Das ist als wenn 
du die Leiterplatten mit der Nagelschere zuschneiden willst. Jede 
vernünftige Arbeit bedingt ein halbwegs vernünftiges Werkzeug. Klar, 
nach oben gibt's häufig keine Grenzen. Nach unten ist aber irgendwann 
Schluss.

[Soul E. (Gast)]

Manuel K. schrieb:

> Deswegen meine Fragen an euch :) Ich möchte einfach das Maximum
> rausholen, was mit so einem einfachen Lötkolben eben geht.

Wenn Du ausschließlich manuell löten willst, dann setz ein großes Via 
mit 2,5 mm Loch unter das Kühlpad und löte das Bauteil von der Rückseite 
aus fest. So sind auch von aussen nicht erreichbare Diepads bei QFN und 
QFP kein Problem.

[Mike (Gast)]

Manuel K. schrieb:
> Sehe ich das richtig, dass du auf der oberen Schicht links und rechts
> neben dem Pad etwas Kupferfläche eingebaut hast und dort dann die Vias
> platziert hast, quasi neben dem Pad?

Ja
Die Vias setze ich nicht ins Pad weil bei "maschineller Bestückung und 
Reflowover Lötung" sonst das Lötzinn durch die Vias auf die andere 
Seite(Bottom) fliesen kann. Was in Folge zu Problemen führen kann.
Daher setze ich die Vias außerhalb aber nahe dem Pad.
Ich habe beim Foto Top-TO252.png den Lötstopp eingeschalten.
Damit sieht man dass zwischen den VIAs und dem Pad Lötstopp vorhanden 
ist.
Soll auch sein, sonst kann es auch passieren dass Lötzinn durch die Vias 
abfließen kann.

Mit dem Lötkolben 25W müsste das auch zu verlöten sein.
Es ist nicht so viel Kupferfläche vorhanden.

> Und auf der Unterseite ist die Kupferfläche dann etwas größer, richtig?
Ja, kann auch noch größer sein.
Damit möchte ich erreichen, dass die Wärme von Top auf Bottom "fliest" 
und
dort auf dem Bottom-Plane in den Raum abgestrahlt werden kann.

Ich muss aber auch sagen dass ich hier keine Thermal-Reliefs habe.

Manuel K. schrieb:
> Ausgerechnet habe ich das schon. Ich komme voraussichtlich auf 0,3249
> Watt.
Das ist nicht so viel.
Mehr als 2W benötigen u.U. schon eine aktive Kühlung(z.B. Fan-Luftstrom)

Manuel K. schrieb:
> 2) 110 K/W (1 Schicht 70µm, Footprint only)
Dies ist die schlecht möglichste termische Anbindung
> Die max. Junction Temperature liegt bei 150°C
150°C - 110*0.3249 = 114°C max. zulässige Umgebungstemperatur
Hmm, Selbst im Fall 2 wo nur ein Top-plane von der Größe des 
TO-252-Pads(Footprint only)  110K/W ausmacht, kann die Umgebungstemp 
maximal 114°C sein. Wir spezifizieren die elekt.Produkte mit einer max. 
Umg.Temp von 50°C. D.h. selbst mit Fall 2 liegst du auf der richtigen 
Seite.

Fazit: bei so einer kleinen Verlustleistung benötigt dein TO-252 nur auf 
der Top-seite ein kleines Plane. Ich würde nicht viel Aufwand betreiben.

Ich kann aber auch falsch liegen.
mfg
Mike

[Manuel K. (mogs)]

temp schrieb:
> Ich denke keiner der das Hobby ernsthaft betreibt oder damit sein Geld
> verdient lötet ausschließlich mit einem 25W Lötkolben.
Das Ganze soll halt von jemanden nachzubauen sein, von dem der ganze 
Elektronik-Kram eben nicht das Haupt-Hobby ist. Der hat womöglich nur 
einen 08-15 Lötkolben zu Hause :)

Soul E. schrieb:
> Wenn Du ausschließlich manuell löten willst, dann setz ein großes Via
> mit 2,5 mm Loch unter das Kühlpad und löte das Bauteil von der Rückseite
> aus fest. So sind auch von aussen nicht erreichbare Diepads bei QFN und
> QFP kein Problem.
Du meinst in Kombination mit einer größeren Kupferflächen auf der 
Vorderseite oder eher kleinere Flächen so wie bei Mike?
Und würdest du dann bei diesem Vorgehen bei einen Via bleiben oder 
ringsherum noch weitere kleinere zum besseren Wärmetransport nach unten 
(oder zerstört das wieder die gute Lötbarkeit?)?

Mike schrieb:
> Die Vias setze ich nicht ins Pad weil bei "maschineller Bestückung und
> Reflowover Lötung" sonst das Lötzinn durch die Vias auf die andere
> Seite(Bottom) fliesen kann.
Wie groß sind denn deine Vias und der Abstand untereinander?

Mike schrieb:
> Dies ist die schlecht möglichste termische Anbindung

Mike schrieb:
> D.h. selbst mit Fall 2 liegst du auf der richtigen
> Seite.
Wobei man aber beachten muss, dass dieser Fall für eine 70µm 
Kupferschicht angegeben ist. Bei JLCPCB bekomme ich aber standardmäßig 
nur 35µm/1oz. Deswegen würde ich schon zumindest auf zwei Schichten 
gehen wollen oder eben eine Kupferfläche, die aber größer als der 
Footprint ist.


Sind sich hier denn alle einig, dass zwei zusätzliche 0.5oz innere 
Schichten keinen weiteren Vorteil bringen bzgl. des Wärmetransports?

[Mike (Gast)]

Manuel K. schrieb:
> Wie groß sind denn deine Vias und der Abstand untereinander?
hole size: 0.3mm; diameter: 0.65mm; Abstand: 1mm

Im Foto habe ich mit rot noch eingezeichnet, dass die 
Lötstoppfreistellung
etwas größer ist. Damit kann man dann dort! mit dem Lötkolben das 
Bauteil verlötet werden.

mfg
Mike

[Wärmeliebend (Gast)]

Wenn dein Bauteil gerade mal 1/3W umsetzt, brauchst du dir eigentlich 
keine großen Gedanken machen. Mach Termals für einfacheres Löten und gut 
ist.

[Falk B. (falk)]

Wärmeliebend schrieb:
> Wenn dein Bauteil gerade mal 1/3W umsetzt, brauchst du dir eigentlich
> keine großen Gedanken machen. Mach Termals für einfacheres Löten und gut

Unsinn. Ein paar Quadratzentimeter Kupferfläche sind auch ohne Termals 
lötbar, ausreichend Leistung (50W) und breite Lötspitze vorausgesetzt. 
Für lausige 300mW reicht ein SOT223 Gehäuse, das läßt sich auch etwas 
leichter löten, weil die Kühlfahne besser zugänglich ist. Bei 300mW muss 
man aber keinen Zinnober mit thermischen VIAs und sonstwas veranstalten. 
Aber wir leben ja im Schneeflöckchenzeitalter 8-(

https://de.wikipedia.org/wiki/Generation_Snowflake

[Manuel K. (mogs)]

OK, dann zähle ich mich mal nicht zu Generation Snowflake und werde es 
nur mit dem normalen Footprint versuchen.
Bei Bedarf kann ich ja immernoch Mike's Variante umsetzen, um etwas mehr 
Kühlleistung rauszuholen, wenn das doch erforderlich sein sollte.