Thermal Vias im PCB-Design: Waerme sicher ableiten

Ein 4-Lagen-Controller für LED-Leistungselektronik kann im Labor bei 25 C sauber laufen und im Feld trotzdem nach 40 Minuten thermisch aussteigen. In einem NPI-Fall sah unser Team 18 C Temperaturdifferenz zwischen QFN-Expose-Pad und Rueckseitenkupfer, obwohl der Schaltregler laut Datenblatt korrekt platziert war. Der Unterschied lag nicht im IC. Der Unterschied lag in zu wenigen Thermal Vias, unguenstigem Pitch und Lotpasten-Wicking unter dem Gehaeuse.

Thermal Vias sind keine dekorativen Bohrungen, sondern vertikale Waermebruecken durch FR-4, IMS- oder mehrlagige Leiterplatten. Dieser Leitfaden zeigt, wie Sie Thermal Vias im PCB-Design für QFN, DFN, MOSFET, LED, BGA und Leistungsregler dimensionieren. Für den Fertigungskontext passen dazu unsere Seiten zu PCB Manufacturing, Metal Core PCB, LED PCB und Heavy Copper PCB.

Als stabile technische Referenzen dienen die Grundlagen zu PCB-Vias, Thermal Management in Electronics, der oeffentliche TQFN Thermal Via Design Guide von Diodes und ein Microchip PCB Design and Layout Guide. Die Bauteildatenblaetter bleiben trotzdem fuehrend, weil Package-Groesse, Pad-Metallisierung und Junction- to-Board-Widerstand je Bauteil variieren.

“Thermal Vias funktionieren nur, wenn die Waerme nach dem Via auch weiterfliessen kann. Bei QFN-Reglern pruefe ich deshalb nicht nur 0,3-mm-Bohrung und 1,0-mm-Pitch, sondern auch die Kupferflaeche auf L2 und Bottom.”

Hommer Zhao

Gruender & CEO, WellPCB

Was Thermal Vias leisten und was nicht

Thermal Vias senken den thermischen Widerstand, indem sie Waerme vom Bauteilpad zu inneren oder unteren Kupferlagen fuehren. FR-4 leitet Waerme schlecht, waehrend Kupfer die Energie deutlich schneller verteilt. Ein Via-Array unter einem QFN-Expose-Pad schafft deshalb einen kuerzeren vertikalen Weg, statt die Waerme nur seitlich über die Top-Lage laufen zu lassen. Der Effekt ist besonders sichtbar bei LED-Treibern, MOSFETs, DC/DC-Reglern und kompakten Sensorboards mit wenig Luftstrom.

Thermal Vias ersetzen jedoch keinen Kuehlkoerper, keine ausreichende Kupferflaeche und keine Verlustleistungs- rechnung. Der Via-Kern ist meist Luft oder Epoxid, nicht massives Kupfer. Die Waerme fliesst über die Galvanik im Via-Barrel und über angebundene Kupferlagen. Wenn unter dem Via nur eine kleine isolierte Insel liegt, verbessert sich die Temperatur wenig. Genau hier unterscheidet sich ein brauchbares Layout von einem Via-Feld, das im Review beeindruckend aussieht, aber kaum thermische Reserve liefert.

Thermal Vias arbeiten nur mit Flaeche: Die Bohrung verbindet das Pad, die Kupferlage verteilt die Waerme.

Startwerte für Bohrung, Pitch, Anzahl und Kupfer

Ein solides Thermal-Via-Array startet mit der Verlustleistung, der Package-Flaeche und den Fertigungsgrenzen. Viele TQFN- und QFN-Hinweise nennen Via-Durchmesser um 0,30 bis 0,33 mm und Pitch-Werte um 1,0 bis 1,25 mm. Kleinere Bohrungen um 0,20 mm reduzieren Lotabfluss, koennen aber je nach Leiterplattenwerk mehr kosten. Für Standard-FR-4 mit 1 oz Kupfer ist eine fruehe DFM-Abstimmung sinnvoll, bevor das Pad-Feld im CAD fixiert wird.

Die Via-Anzahl muss zur Pad-Groesse passen. Ein 3 x 3 mm Thermal Pad vertraegt oft 4 bis 9 Vias, waehrend ein 7 x 7 mm Power-QFN eher 9 bis 25 Vias aufnimmt. Mehr Vias helfen nicht linear weiter, weil sich Kupferflaechen, Konvektion und Boarddicke gegenseitig begrenzen. Bei sehr heissen Designs bringt ein Wechsel von 2 auf 4 Lagen oder von FR-4 auf Metal Core PCB manchmal mehr als ein noch dichteres Via-Raster.

Die Tabelle ist kein Ersatz für Simulation oder Messung. Sie ist ein DFM-Startpunkt für Reviews mit Fertigung, SMT und Hardware-Design. Wer bereits ein Via-Typen-Konzept oder ein Heavy-Copper-Design plant, sollte Thermal Vias frueh mit Stackup, Bohrmatrix und Stencil-Design verbinden.

“Der haeufigste Fehler ist ein perfektes Via-Raster ohne Pastenstrategie. Wenn 9 offene Vias unter einem 5-mm-QFN stehen, kann die SMT-Linie mehr Lot in die Bohrungen verlieren als der Entwickler erwartet.”

Hommer Zhao

Gruender & CEO, WellPCB

Via-in-Pad: offen, getented, plugged oder gefuellt?

Via-in-Pad ist für Thermal Vias oft sinnvoll, erzeugt aber sofort Montagefragen. Offene Vias im Exposed Pad koennen Lot abziehen, Flux einschliessen oder das Bauteil ungleichmaessig aufschwimmen lassen. Tenting mit Lötstopplack kann bei kleinen Vias helfen, ist aber nicht immer vakuumdicht. Plugging verschliesst die Bohrung prozesssicherer. Copper Filling und Plated-Over-Via-in-Pad liefern die beste SMT-Oberflaeche, kosten aber mehr und brauchen klare Spezifikation nach Fertigerfaehigkeit.

Die Entscheidung haengt vom Bauteil und vom Volumen ab. Für Prototypen mit 0,30-mm-Vias kann Tenting auf der Gegenseite reichen, wenn der Pastendruck angepasst wird. Für Serien mit feinen QFN-Pads, BGA-in-Pad oder Medizinelektronik ist plugged oder filled haeufig die stabilere Wahl. Bei SMT Assembly muss das Stencil-Fenster zur Via-Strategie passen: Segmentierte Paste-Apertures von 50 bis 80 Prozent Pad- Flaechenabdeckung reduzieren Float und Voiding besser als ein grosses, geschlossenes Pastenfenster.

Thermal Vias in 2-Lagen-, 4-Lagen- und Metal-Core-Designs

Ein 2-Lagen-Board braucht große Kupferinseln auf Top und Bottom, weil keine innenliegende Plane Waerme aufnimmt. Thermal Vias fuehren die Energie auf die Rueckseite, doch die Rueckseite muss frei genug für Kupfer, Luftstrom oder ein Gehaeuse-Interface sein. Ein 4-Lagen-Board ist oft effizienter, weil L2 als solide GND- oder Power-Plane Waerme und Strom verteilt. Für LED-Module, Motorsteuerungen und sehr hohe Verlustleistung kann ein IMS- oder Metal-Core-Aufbau die bessere Systemloesung sein.

Der "Via-Zaehlfehler" entsteht, wenn ein Layout nur die Anzahl der Bohrungen bewertet. Entscheidend ist der komplette Waermeweg: Junction, Package, Exposed Pad, Lot, Via-Barrel, Kupferlage, Umgebung und Gehaeuse. Eine zusaetzliche Kupferlage kann den Engpass verlagern. Ein groesseres Pad kann den Temperaturgradienten senken. Ein ungeschicktes Lötstopplackfenster kann denselben Vorteil wieder vernichten. Darum gehoert das Thermal- Via-Review in denselben DFM-Termin wie Stencil- Dicke und Aperture Design.

“Bei thermischen Layouts messe ich zuerst die reale Temperatur und diskutiere danach die Via-Anzahl. Eine 12-C-Verbesserung durch bessere Plane-Anbindung ist wertvoller als 20 zusaetzliche Vias ohne Kupferflaeche.”

Hommer Zhao

Gruender & CEO, WellPCB

Prüfung in Prototyp und Serie

Thermal-Via-Designs sollten mit Thermokamera, Thermocouple oder integrierter IC-Temperaturmessung geprueft werden. Ein sinnvoller Test faehrt das Board im Gehaeuse, bei Zielstrom, Zielumgebung und realistischem Luftstrom. Für LED-Boards zaehlt die Lichtleistung nach Warmlauf, nicht nur die Starttemperatur. Für MOSFET- Boards zaehlen Schaltverluste und Worst-Case-Duty-Cycle. Für Regler zaehlt die Temperatur am Exposed Pad und am naechsten empfindlichen Kondensator.

In der Serie gehoeren X-Ray, Schliffbild und elektrische Belastung in die Freigabe, wenn Via-in-Pad und gefuellte Vias verwendet werden. X-Ray zeigt Voids und Lotverteilung unter QFN oder BGA. Ein Schliffbild zeigt, ob Plugging, Kupferhuelse und Lötstopplack zum geforderten Aufbau passen. Die elektrische Prüfung bestaetigt, dass Thermal Vias keine unerwuenschten Netzübergänge, Kurzschluesse oder Clearance-Probleme erzeugen. Bei Baugruppen mit erhoehter Zuverlaessigkeit hilft zusaetzlich Burn-in oder ESS.

Wann Thermal Vias nicht die richtige erste Massnahme sind

Thermal Vias sind nicht die beste erste Massnahme, wenn der Hauptengpass ausserhalb der Leiterplatte liegt. Ein geschlossenes Kunststoffgehaeuse ohne Luftaustausch, ein IC mit zu hoher Verlustleistung oder ein fehlendes thermisches Interface zum Chassis laesst sich nicht allein durch Bohrungen retten. In solchen Faellen sind Bauteilauswahl, Schaltfrequenz, Kuehlkoerper, Kupferflaeche, Metal-Core-Aufbau oder Gehaeusekontakt frueher zu pruefen. Das beste Thermal-Via-Feld ist wertlos, wenn die Waerme am Bottom-Layer stehen bleibt.

Für sehr kleine Prototypen kann eine aufwendige Via-in-Pad-Fill-Spezifikation ebenfalls ueberzogen sein. Wenn 20 Muster für einen Funktionstest genuegen, ist ein einfacheres Layout mit groesserer Kupferflaeche manchmal schneller und guenstiger. Sobald das Design in Serie geht oder unter Vibration, hoher Umgebungstemperatur oder Dauerlast arbeitet, wird die DFM-saubere Thermal-Via-Strategie wieder wichtig. Genau diese Grenze sollte der Hersteller offen benennen, bevor Gerberdaten freigegeben werden.

Referenzen

1. Wikipedia: Via in electronics
2. Wikipedia: Thermal management of electronic devices and systems
3. Diodes Incorporated: TQFN Package Thermal Pad Via Design Guide
4. Microchip: PCB Design and Layout Guide

FAQ

Wie viele Thermal Vias brauche ich unter einem QFN-Pad?

Ein kleines 3 x 3 mm QFN-Pad startet oft mit 4 bis 9 Thermal Vias, ein 7 x 7 mm Power-QFN eher mit 9 bis 25 Vias. Entscheidend sind Verlustleistung, Kupferflaeche und Herstellergrenzen für 0,20 bis 0,35 mm Bohrungen. Pruefen Sie das Layout gegen Datenblatt und DFM-Regeln, bevor das Stencil freigegeben wird.

Sollten Thermal Vias offen, getented oder gefuellt sein?

Offene Thermal Vias sind guenstig, koennen aber Lot in die Bohrung ziehen und QFN-Lötstellen schwaechen. Tented Vias helfen bei kleinen Bohrungen, waehrend plugged oder filled Vias für Via-in-Pad-Serien mit hoher Zuverlaessigkeit stabiler sind. Für Class-2-Industrieboards reicht oft Tenting, für Class-3-nahe Baugruppen sollte die gefuellte Variante geprueft werden.

Ich habe einen 2-Lagen-Prototyp mit heissem MOSFET. Reichen Thermal Vias?

Thermal Vias helfen nur, wenn die Rueckseite genug Kupferflaeche, Luftstrom oder Kontakt zum Gehaeuse bietet. Bei mehr als wenigen Watt Verlustleistung kann ein 4-Lagen-Aufbau, 2 oz Kupfer oder ein Kuehlkoerper mehr bringen als zusaetzliche Vias. Messen Sie den MOSFET nach 30 bis 60 Minuten Dauerlast im Zielgehaeuse.

Welche Bohrung ist für Thermal Vias in SMT-Pads praktikabel?

0,30 bis 0,33 mm Bohrungen sind für viele Standardprozesse gut herstellbar und werden in Package-Hinweisen haeufig genannt. 0,20 mm reduziert Lotabfluss, kann aber kostenintensiver sein. Die wirtschaftliche Grenze haengt vom Leiterplattenwerk, der Kupferdicke und der geforderten Via-Fuellung ab.

Thermal Vias oder Metal Core PCB: Was ist besser für LED-Module?

Thermal Vias sind gut für FR-4-LED-Treiber, Sensorboards und moderate Hotspots. Metal Core PCB ist besser, wenn LEDs dauerhaft hohe Leistung abgeben und die Waerme direkt in eine Aluminium- oder Kupferbasis fliessen soll. Als Faustregel lohnt IMS frueh, wenn Temperaturreserve unter Nennstrom weniger als 10 C betraegt.

Welche Daten braucht der Hersteller für ein Thermal-Via-DFM-Review?

Senden Sie Gerber, Bohrdaten, Stackup, Kupferdicke, Bauteildatenblatt, Zielstrom, Verlustleistung und Hinweise zu Via-Tenting, Plugging oder Filling. Für SMT benoetigt der Hersteller auch Stencil-Dicke und Pastenfenster, besonders bei QFN, DFN und BGA. Ein Review vor dem ersten Los spart oft 1 bis 2 Layout-Revisionen.