Thermische Vias: offen, harzverfüllt oder pastengefüllt

Hauptteil

Vorab das Ergebnis: Das Verfüllen thermischer Vias ist keine Frage von "so voll wie möglich", sondern eine Risikoverteilung. Offene Vias lassen das Risiko in der Bestückung, wo flüssiges Lot in die Hülsen gezogen wird. Harzverfüllung mit galvanischer Deckkupferlage verschiebt es in die Fertigung, wo die Via-Mündung plan geschliffen und überkupfert werden muss. Pastenverfüllung bündelt es im Füllmaterial und in der Gleichmäßigkeit der Mündungsbearbeitung. Alle drei Wege liefern brauchbare Platten. Sie versagen völlig unterschiedlich, und die Zeichnung muss sagen, welcher Weg gewählt ist.

1. Eine Struktur, zwei Anforderungen ohne Kompromiss

Es gibt genau einen Grund, dieses Via-Feld unter einem Leistungsbauteil zu zeichnen: Wärme aus dem Bereich unter dem Die nach unten zur rückseitigen Kupferlage, zu einem Metallkern oder zu einem externen Kühlkörper zu führen. Das ist ein vertikaler Wärmepfad, und je mehr durchgehend metallisierte Hülsen vorhanden sind, desto besser leitet er.

Der Konflikt liegt im Ort. Dort ist keine freie Kupferfläche, sondern das Thermal Pad des Bauteils — eine Schnittstelle, die im Reflow eine Lötstelle ausbilden muss. Damit tragen dieselben Bohrungen zwei Anforderungen:

• Als Wärmepfad sollen sie durchgehend offene Kupferröhrchen sein.
• Als Lötschnittstelle sollen sie eine plane, geschlossene, dichte Fläche ergeben.

Diese Anforderungen widersprechen sich konstruktiv. Eine offene Hülse ist undicht. Eine plane Fläche heißt, die Mündung ist durch etwas verschlossen. Die Wahl des Via-Verfahrens ist deshalb die Wahl des Fehlerbildes, mit dem man leben kann.

Ein häufiger Irrtum ist, dieses Feld als dichtere Variante gewöhnlicher elektrischer Vias zu behandeln. Ein elektrisches Via braucht nur Durchgang; ob Lot in die Hülse lief und ob die Mündung plan ist, spielt keine Rolle. Ein Via unter dem Thermal Pad bestimmt dagegen unmittelbar Form und Lunkergehalt der Lötstelle. Ist die Lötstelle ausgehungert, reißt gerade das erste Teilstück des Wärmepfads (Die zu Pad). Ein hervorragender Pfad hinter einem unterbrochenen ersten Teilstück bringt nichts.

2. Drei Wege und wer das Risiko erbt

Diese Tabelle ist keine Rangliste, sondern die Frage: wo sollen die Probleme auftreten?

Offene Vias sind prozessual am günstigsten, es kommt kein Arbeitsgang hinzu. Der Preis ist eine ungeregelte Größe, die an die Bestückung übergeben wird, denn eine metallisierte Hülse ist eine Kapillare. Die Harzverfüllung hat ein eigenes, vollständiges Abnahmeregime, erkauft dies aber mit mehreren zusätzlichen Fertigungsschritten — verfüllen, aushärten, schleifen, erneut galvanisieren — jeder mit eigenem Prozessfenster. Die Pastenverfüllung scheint beide Seiten zu bedienen, verlagert das Ergebnis aber auf Materialcharge und Mündungsbearbeitung: wenige Vias mit abweichender Füllhöhe, und die Lötschnittstelle ist keine Ebene mehr.

Ein Punkt, der ständig verwechselt wird: Das Harz im verfüllten Via leitet die Wärme nicht. Auf diesem Weg erfolgt die Leitung weiterhin über die metallisierte Hülsenwand und das Deckkupfer der Mündung. Das Harz füllt die Bohrung, damit die Mündung plan überkupfert werden kann. "Mit Harz verfüllt, also besser wärmeleitend" ist als Konstruktionsbegründung nicht haltbar.

3. Warum das Lot verschwindet: die realen Kosten offener Vias

Offene Vias unter einem Thermal Pad führen im Reflow zu einem vorhersagbaren Vorgang: Die Lotpaste wird flüssig und beweglich, die durchkontaktierte Bohrung ist eine beidseitig offene Kapillare, flüssiges Lot wird entlang der Hülsenwand nach unten gezogen und kann an der Rückseite austreten.

Die Folgen hängen zusammen:

1. Weniger Lotvolumen unter dem Pad. Die Schicht zwischen Bauteil und Pad wird dünner oder bekommt große Lunker, der erste Sprung vom Die zum Pad wird dadurch schlechter statt besser.
2. Das Bauteil kann verkippen. Das Einziehen ist über das Feld nie völlig gleichmäßig. Zur Seite mit mehr Lotverlust senkt sich das Bauteil im flüssigen Zustand.
3. Lotperlen auf der Rückseite. Ist die Rückseite ebenfalls Bestückungsseite oder soll sie plan an einen Kühlkörper anliegen, zerstören diese Perlen den Kontakt.
4. Das Ergebnis ist instabil. Wie viel Lot eingezogen wird, hängt von Pastenmenge, Ofenprofil und Kapillarbedingungen ab, die zwischen Chargen schwanken. Dieselbe Konstruktion kann auf zwei Linien unterschiedlich ausfallen.

"Thermische Vias funktionieren auch unverfüllt" gilt daher unter genau einer Bedingung: Die Bestückung weiß, dass die Vias offen sind, und hat Pastenmenge, Schablonenöffnung und Ofenprofil darauf eingestellt. Schweigt die Zeichnung und wird konventionell verarbeitet, treten die vier Punkte mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ein. Das ist eine fehlende Informationsübergabe zwischen Prozessschritten, kein Fähigkeitsproblem.

Verbreitet ist ein Mittelweg: Vias unverfüllt lassen, aber die rückseitige Mündung mit Lötstopplack abdecken und so ein Kapillarende verschließen. Das verringert austretendes Lot deutlich. Die Kosten: die Hülse bleibt hohl, die Rückseite eignet sich nicht mehr für Kühlkörperkontakt, und ob der Lack die Mündung vollständig schließt, hängt direkt von der Bohrungsgröße ab — das ist mit der Fertigung zu klären, nicht vorauszusetzen.

4. Mit Verfüllung lautet die Frage: ist die Mündung plan?

Harzverfüllung mit Deckkupferlage hat ein klares Ziel: das Thermal Pad wieder zu einer geschlossenen Ebene machen und gleichzeitig die Kupferhülse als Wärmepfad behalten. Dazu müssen in der Fertigung mehrere Schritte in Reihe stimmen — Hülse hohlraumfrei mit Harz füllen, aushärten, plan zur Oberfläche schleifen, dann so galvanisieren, dass die Mündung zu Kupfer geschlossen und mit dem Pad verbunden wird.

Wichtig für die Konstruktion ist, wie dieser Weg versagt:

• Eingefallene oder erhabene Mündung. Nach Schleifen und Galvanik liegt die Mündung nie exakt auf Pad-Niveau; eine kleine Senke oder Erhebung bleibt immer. Innerhalb des zulässigen Bereichs ist das kein Thema, darüber hinaus wird daraus ein örtlicher Lunker oder ein Auflagepunkt. Das ist das zentrale Prüfmerkmal dieses Wegs.
• Hohlstellen zwischen Harz und Hülsenwand. Unvollständige Verfüllung hinterlässt Lücken, die unter Temperaturwechseln zu Rissausgangspunkten werden und in Galvanik und Reinigung Medien einschließen.
• Unstetigkeit zwischen Deckkupfer und Hülsenkupfer. Das ist eine Grenzfläche zwischen zwei Galvanikschritten und das am häufigsten übersehene Teilstück des gesamten Wärmepfads.

Das alles gehört zum Abnahmeumfang der Harzverfüllung selbst; Kriterien und Prüfmittel stehen dort und werden hier nicht wiederholt. Die Konstruktion hat nur zwei Aufgaben: in der Zeichnung festlegen, dass dieses Feld den Weg Verfüllen plus Deckkupfer geht, und festlegen, dass die Planlage der Mündung ein Prüfmerkmal ist, statt es der Fertigung zur Auslegung zu überlassen.

Dazu gehört: Eine durchgehende Hülsenmetallisierung ist die Voraussetzung des gesamten Wegs. Verfüllen und Überkupfern erfolgen nach der Hülsengalvanik, sie können eine schlecht metallisierte Hülse nicht reparieren. Je schwieriger das Aspektverhältnis, desto schwerer ist eine gleichmäßige Hülsenmetallisierung — das ist eine Randbedingung der Durchkontaktierungs- und Mikrovia-Galvanik.

5. Wann thermische Vias nicht mehr die richtige Antwort sind

Thermische Vias lösen die vertikale Wärmeleitung innerhalb einer konventionellen FR-4-Multilayerplatte. Ihre Grenze folgt aus dieser Struktur: Wärme muss Dielektrikumslage für Dielektrikumslage durch ein Netz aus Kupferröhrchen, während das Dielektrikum selbst nicht leitet. Steigt die Verlustleistungsdichte weiter, bringen zusätzliche Vias immer weniger, weil der Engpass nicht mehr bei den Vias liegt.

Dann ist die Substratstruktur zu wechseln, nicht die Bohrungszahl zu erhöhen:

• Metallkern (Aluminium oder Kupfer): das Dielektrikum extrem dünn ausführen, damit die Wärme direkt in den Metallkern geht. Dieser Weg braucht kein Via-Feld, der Wärmepfad ist anders aufgebaut — die Wärmewiderstandskette einer Metallkernplatte ist ein eigener Variablensatz, und Aluminium- und Kupferkern haben je eigene Bearbeitungsgrenzen. Zu beachten: Metallkernaufbauten lassen Durchgangsbohrungen in der Regel nicht frei durch den Kern laufen, die Randbedingungen unterscheiden sich deutlich vom Multilayer.
• Keramiksubstrat: das Grundmaterial leitet selbst, Kupferröhrchen zur Umgehung eines Dielektrikums sind nicht nötig.

Die Abgrenzung zu /de/products/ceramic-pcb/ sei hier ausdrücklich genannt, weil die Suchanfragen zu beiden Problemen ständig vermischt werden. Dieser Beitrag beantwortet "ich bin schon auf FR-4-Multilayer, wie sind die Vias unter diesem Pad zu behandeln" — eine Verfahrensauswahl innerhalb einer bestehenden Struktur. Die Seite zum Keramiksubstrat beantwortet "soll ich das Grundmaterial wechseln" — eine Strukturauswahl. Die erste Frage hat drei Verfüllwege als Antwort, die zweite einen Materialsystemvergleich. Hat sich der Engpass von "ist die Mündung plan" zu "das Dielektrikum selbst sperrt die Wärme" verschoben, ist die zweite Seite zuständig. Entsprechend stehen die Metallkern-Produktseite und die Produktseite für harzverfüllte Vias für diese beiden Auswege.

6. Was die Zeichnung festlegen muss

Die meisten Probleme mit thermischen Vias sind keine Fertigungsgrenzen, sondern nicht festgelegte Anforderungen. Fehlt einer der folgenden Punkte, bleibt der Fertigung nur die eigene Voreinstellung, und diese Voreinstellungen unterscheiden sich zwischen Betrieben:

1. Der Verfahrensweg für dieses Feld. Offen / rückseitig mit Lack abgedeckt / Harzverfüllung plus Deckkupfer / leitfähige Pastenverfüllung. Schreiben, nicht nur ein Bohrungsfeld zeichnen.
2. Der geforderte Mündungszustand. Bei Verfüllung: Mündung bündig zum Pad und als Prüfmerkmal benannt. Bei offen: durchgehende Hülsen zugelassen und Hinweis an die Bestückung.
3. Welche Vias thermische Vias sind. Die Vias unter dem Thermal Pad müssen von gewöhnlichen elektrischen Vias im selben Bereich unterscheidbar sein, sonst werden beide gleich behandelt.
4. Wozu die Rückseite dient. Kühlkörperanlage oder Bestückungsseite entscheidet, ob Erhebungen oder Lackabdeckung dort zulässig sind.
5. Oberflächenveredelung. Die Oberfläche des Thermal Pads beeinflusst das Lötverhalten. Nicht offen lassen.
6. Keine sich ausschließenden Forderungen. Vollständig offene Hülsen für maximale Wärmeleitung und gleichzeitig eine geschlossene, lunkerfreie Pad-Ebene sind nicht zusammen erfüllbar; die Konstruktion muss entscheiden, worauf sie verzichtet.

Stehen diese sechs Punkte in Zeichnung oder Prozesshinweis, gehört der Rest zu Fertigung und Qualitätsprüfung. Welche Strukturen baubar sind, steht unter Fertigungsmöglichkeiten, die Grundmaterialien unter Materialien.

FAQ

F1: Müssen Vias unter einem Thermal Pad immer verfüllt werden?

Nein. Offene Vias sind brauchbar, sofern die Bestückung weiß, dass sie offen sind, und Pastenmenge, Schablonenöffnung und Ofenprofil angepasst hat. Schweigt die Zeichnung und wird konventionell verarbeitet, wird Lot in die Hülsen gezogen: ausgehungerte Lötstelle unter dem Pad, Verkippen des Bauteils oder Lotperlen auf der Rückseite.

F2: Leitet eine Harzverfüllung besser als offene Vias?

Nein. Auf dem Weg Verfüllen plus Deckkupfer leitet weiterhin die metallisierte Hülsenwand und das Deckkupfer. Das Harz hat keine thermische Aufgabe, es füllt die Bohrung, damit die Mündung plan überkupfert werden kann. Grund für diesen Weg ist eine plane Lötschnittstelle, nicht bessere Wärmeleitung.

F3: Wie wähle ich zwischen den drei Wegen?

Nach dem Fehlerbild, das tragbar ist. Offene Vias lassen das Risiko in der Bestückung. Harzverfüllung plus Deckkupfer verschiebt es in Verfüllen und zweite Galvanik der Fertigung. Pastenverfüllung bündelt es in Materialverhalten und Mündungsgleichmäßigkeit. Alle drei können eine brauchbare Platte ergeben, sie versagen unterschiedlich.

F4: Zählt die rückseitige Lackabdeckung als Verfüllung?

Nein. Sie verschließt nur ein Kapillarende, die Hülse bleibt hohl. Austretendes Lot wird dadurch reduziert, dafür eignet sich diese Seite nicht mehr für Kühlkörperkontakt. Ob der Lack die Mündung vollständig schließt, hängt von der Bohrungsgröße ab und ist mit der Fertigung zu klären.

F5: Sind mehr thermische Vias immer besser?

Nein. Im FR-4-Multilayer muss die Wärme durch nicht leitendes Dielektrikum über ein Kupferröhrchennetz, ab einem Punkt sinkt der Zusatznutzen — der Engpass liegt dann nicht mehr bei den Vias. Weitere Verbesserung heißt Strukturwechsel: Metallkern dünnt das Dielektrikum aus, Keramik macht das Grundmaterial selbst leitfähig.

F6: Können elektrische und thermische Vias nach gleichen Regeln behandelt werden?

Nein, die Zeichnung muss sie unterscheiden. Ein elektrisches Via braucht nur Durchgang; Lot in der Hülse und Planlage der Mündung sind funktional unerheblich. Ein Via unter dem Thermal Pad bestimmt Lötstellenform und Lunkergehalt unmittelbar. Ohne Unterscheidung werden beide nach derselben Voreinstellung behandelt, und die passt meist nur zu elektrischen Vias.

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