Wärmemanagement auf der Leiterplatte: Kupfer, Thermal Vias und Aluminium
Wohin die Wärme geht, was Sie im Layout dafür tun können und wann der Wechsel von FR4 auf eine Aluminium-Leiterplatte sinnvoll ist.
Wärme verlässt die Platine auf drei Wegen
Ein Bauteil gibt Verlustleistung als Wärme ab. Auf der Platine wandert sie durch das Kupfer und das Laminat, verteilt sich seitlich und verlässt die Platine durch Konvektion und Strahlung von den Oberflächen oder über einen Kühlkörper bzw. das Gehäuse. Das Layout bestimmt, wie leicht sich die Wärme ausbreiten kann; Wärmemanagement beginnt also auf der Leiterplatte, lange bevor ein Kühlkörper gewählt wird.
Kupfer dort einsetzen, wo die Wärme entsteht
Kupfer leitet Wärme etwa tausendmal besser als FR4. Daraus ergeben sich drei Stellhebel:
- Kupferfläche. Verbinden Sie das Wärmepad eines Leistungsbauteils mit einer großen Kupferfläche, nicht mit einer dünnen Leiterbahn. Mehr Fläche bedeutet geringeren Temperaturanstieg.
- Kupferdicke. 35 µm ist üblich; 70 µm trägt mehr Strom und verteilt die Wärme bei gleicher Fläche besser. Wir fertigen 18, 35, 50 und 70 µm (siehe Ratgeber Kupferdicke).
- Innenlagen. Bei Multilayern wirken Kupferinnenlagen als Wärmespreizer, wenn die Thermal Vias sie anbinden.
Beachten Sie den Kompromiss: Dickes Kupfer braucht größere Abstände, und ein großes, an eine Fläche angebundenes Pad lässt sich schlecht löten, wenn es nicht dort mit Wärmefallen (Thermal Reliefs) entlastet wird, wo Hand- oder Reflow-Lötung es verlangt.
Thermal Vias
Vias unter einem Wärmepad führen die Wärme von der Oberseite in eine Fläche oder auf die Gegenseite. Als typischer Ausgangspunkt:
| Parameter | Typischer Wert |
|---|---|
| Bohrdurchmesser | 0,3 mm |
| Raster | etwa 1,0 bis 1,2 mm |
| Anordnung | Raster unter dem Wärmepad |
| Anbindung | an eine Kupferfläche oder eine große Fläche auf der Gegenseite |
Offene Vias unter einem Pad können beim Bestücken Lot aus der Lötstelle ziehen. Klären Sie mit Ihrem Bestücker, ob er die Vias in der Anzahl reduziert, versetzt oder mit Lötstopplack abgedeckt haben möchte. Unsere Grenzwerte für Bohrungen stehen im Ratgeber zu Vias und Bohrungsgrößen.
Platinenstärke und Material
Dünnere Platinen haben einen kürzeren vertikalen Weg, doch die Wärme muss sich trotzdem seitlich über das Kupfer verteilen. Standard-FR4 leitet Wärme schlecht, daher übernimmt das Kupfer die meiste Arbeit. Die Standardstärken finden Sie unter Leiterplattenstärke.
Wann eine Aluminium-Leiterplatte sinnvoll ist
Gibt ein Bauteil mehr Wärme ab, als Kupferfläche und Vias bewältigen, etwa bei LEDs oder Leistungsstufen, leitet eine Aluminium-Leiterplatte (IMS, Insulated Metal Substrate) die Wärme in den Metallträger und von dort an einen Kühlkörper oder das Gehäuse. Sie hat eine Kupferlage und ein dünnes Dielektrikum zwischen Kupfer und Aluminium. Den Vergleich finden Sie in FR4 oder Aluminium, Konstruktionsregeln in Aluminium-Leiterplatten für LEDs.
Layoutregeln, die helfen
- Leistungsbauteile getrennt von wärmeempfindlichen Teilen platzieren.
- Wärmequellen nicht an Platinenrändern platzieren, an denen die Platine eingespannt ist, es sei denn, der Rand ist der gewollte Wärmepfad.
- Heiße Bauteile nicht in einer Ecke bündeln, sondern verteilen.
- Für die Leistungsführung breite Leiterbahnen und Flächen verwenden; sie tragen Strom und Wärme (siehe Leiterbahnbreite und Strom).
- Das Ergebnis am Prototyp mit Wärmebildkamera oder Thermoelement prüfen, nicht nur rechnerisch.
Den Preis Ihrer Platine berechnen Sie mit dem Preisrechner; oder senden Sie uns die Dateien zur Prüfung.
Häufige Fragen
Wie viele Thermal Vias brauche ich unter einem Bauteil?
Eine feste Zahl gibt es nicht; sie hängt von der Verlustleistung und der angebundenen Kupferfläche ab. Ein Raster mit 0,3 mm Bohrung und etwa 1,0 bis 1,2 mm Abstand ist ein üblicher Ausgangspunkt. Bestätigen Sie das Ergebnis durch Messung am Prototyp.
Wann ist eine Aluminium-Leiterplatte besser als FR4?
Wenn Kupfer und Vias die Wärme allein nicht verteilen können, zum Beispiel bei LEDs oder Leistungsbauteilen. Eine Aluminium-Leiterplatte leitet die Wärme in den Metallträger, hat aber nur eine Kupferlage.
Hilft dickeres Kupfer bei der Wärme?
Ja. Dickeres Kupfer verteilt die Wärme besser und trägt mehr Strom, braucht aber größere Abstände zwischen den Leiterbahnen. Wir bieten 18, 35, 50 und 70 µm.
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