Wärme aus dem Bauteil hat nur drei Strukturen zur Verfügung
Sobald Wärme das Bauteilgehäuse verlässt und in die Leiterplatte eintritt, stehen nur drei Strukturklassen zur Verfügung: Löcher durch die Leiterplattendicke (thermische Via-Arrays), Kupfer in der Leiterplattenebene (Dickkupfer und Kupferflächen) oder ein anderes Basismaterial (Metallkern). Das sind keine drei Ausbaustufen derselben Idee, sondern drei physikalisch unterschiedliche Mechanismen, und jeder wird von einem anderen Fertigungsparameter begrenzt.
Designs, die aus thermischen Gründen immer wieder überarbeitet werden, rechnen meist nicht falsch. Sie erweitern immer denselben Pfad: noch ein Via-Ring, noch eine Unze Kupfer, bis ein Fertigungsparameter seine Grenze erreicht und die Platte entweder nicht herstellbar oder nicht reproduzierbar herstellbar ist. An diesem Punkt hilft nicht mehr davon, sondern die Entscheidung, auf welchen Pfad gewechselt wird.
Dieser Beitrag beantwortet genau eine Frage: welcher konkrete Fertigungsparameter jeden Pfad begrenzt und wann gewechselt werden muss. Keine Wärmewiderstandswerte, keine Temperaturerhöhungen. Diese erfordern Projektleistung, Luftströmung, Gehäuse und Umgebungsbedingungen und gehören in eine projektbezogene thermische Prüfung, nicht in einen allgemeinen Beitrag. Alle Werte stammen aus den veröffentlichten SKPCB-Fertigungs- und Produktspezifikationen.
> Abgrenzung zur Produktseite: Die Aluminium-Leiterplatte beantwortet, was eine Aluminium-Leiterplatte ist, welche Spezifikationsbereiche gelten und wofür sie eingesetzt wird — das ist der Einstieg in die Produktauswahl. Die vollständigen Metallkern-Bereiche (Aluminium- und Kupferbasis) stehen auf der Metallkern-Leiterplatte. Dieser Beitrag wiederholt die Produktauswahl nicht, sondern behandelt ausschließlich die Fertigungsgrenzen und Wechselkriterien der drei strukturellen Pfade.
Pfad 1: Thermische Via-Arrays — begrenzt durch Bohrdurchmesser, Aspektverhältnis und Lötstoppmaske
Ein thermisches Via führt Wärme senkrecht vom Bauteil-Pad zur Gegenseite oder zu einer inneren Kupferfläche. Der Vorteil: Basismaterial und Kupferdicke bleiben unverändert. Die gesamten Kosten liegen auf der Bohr- und Durchkontaktierungsseite.
Grenze 1: Mindestbohrdurchmesser und Bohrtoleranz. Die Fertigungsmöglichkeiten nennen einen Mindestbohrdurchmesser von 0,075 mm und eine Bohrtoleranz von ±0,05 mm. Ein kleineres Loch trägt weniger leitenden Querschnitt, was über die Anzahl kompensiert wird. Eine hohe Via-Anzahl erhöht jedoch Bohrzeit und Werkzeugverschleiß, und wenn die Pad-Fläche mit Löchern gefüllt ist, fließt Lot während der Bestückung durch die Vias ab. Das ist das häufigste praktische Problem mit thermischen Vias. Die Behandlung (Verfüllen, Abdecken oder Anordnung neben dem Pad statt darauf) muss in der DFM-Prüfung bestätigt werden und darf im Design nicht vorausgesetzt werden.
Grenze 2: Aspektverhältnis ≤10:1. Das ist eine harte Randbedingung. Bei 2,0 mm Leiterplattendicke darf der Bohrdurchmesser 0,2 mm nicht unterschreiten, sonst ist die Gleichmäßigkeit der Bohrwandmetallisierung nicht sicherzustellen. Anders gesagt: je dicker die Leiterplatte, desto größer muss das thermische Via bleiben — und dicke Platten sind genau der Fall, in dem Wärme am schwersten nach außen gelangt. Dieser Pfad verengt sich bei dicken Platten von selbst.
Grenze 3: Lötstoppöffnungen und Lötstoppstege. Die Fertigungstoleranzen legen fest, dass die Lötstoppöffnung 0,003″ größer als das Pad sein soll, der Standard-Lötstoppsteg 0,004″ beträgt und Pad-Abstände unter 0,010″ eine Sonderbehandlung erfordern können. Thermische Via-Arrays liegen typischerweise auf dem Wärmepad eines Bauteils, wo Pads dicht liegen und Abstände klein sind — der Lötstoppsteg passt dort möglicherweise gar nicht dazwischen. Das ist kein thermisches Problem: der Lötstoppprozess lehnt das Layout zuerst ab.
Wann dieser Pfad ausgeschöpft ist: Das Array füllt die verfügbare Pad-Fläche, die Leiterplattendicke fixiert das Aspektverhältnis bei 10:1, oder die Lötstoppmaske kann keine Stege bilden. Weitere Löcher verbessern danach die Wärmeleitung nicht, sie erhöhen nur das Prozessrisiko.
Pfad 2: Dickkupfer und Kupferflächen — begrenzt durch Leiterbahnbreite, Lagenzahl und Dicke
Der zweite Pfad verteilt Wärme seitlich über den Kupferquerschnitt: höhere Kupferdicke, größere Kupferflächen oder beides.
Grenze 1: Mehr Kupfer bedeutet breitere Mindestleiterbahnen. Die Fertigungsmöglichkeiten reichen von 0,5oz bis >12oz Kupfer und nennen 2/2 mil als Mindestbreite/-abstand — diese beiden Extremwerte sind jedoch nicht gleichzeitig verfügbar. Die Dickkupfer-Leiterplatte kombiniert 3oz bis >12oz Kupfer mit 6 mil Mindestleiterbahnbreite. Dickkupfer entsteht durch Ätzen; je dicker das Kupfer, desto stärker die Flankenschräge und desto grober die erreichbare Geometrie. Das ist eine Eigenschaft des Prozesses, nicht der Anlagenqualität. Dickkupfer und hohe Verdrahtungsdichte schließen sich daher gegenseitig aus: thermische Leistung über Kupfer kostet Verdrahtungsdichte.
Grenze 2: Obergrenze der Lagenzahl. Die Fertigungsmöglichkeiten unterstützen insgesamt 2 bis 64 Lagen, die Dickkupfer-Produktseite nennt jedoch 1 bis 16 Lagen. Dickkupferlagen benötigen beim Verpressen große Harzfüllmengen und bergen ein höheres Risiko ungleichmäßiger Lagendicken, was die Lagenzahl einschränkt. Ein Design, das gleichzeitig Dickkupfer für Wärme und mehr als sechzehn Lagen für Signale benötigt, erfordert eine technische Machbarkeitsprüfung; die Maximalwerte beider Seiten dürfen nicht addiert werden.
Grenze 3: Leiterplattendicke und Impedanz. Die Dickkupfer-Seite nennt 0,8–6,0 mm Leiterplattendicke und Impedanzkontrolle ±10%, während die Fertigungsmöglichkeiten ±5% ausweisen (Standard ±10%). Dickkupfer vergrößert die Kupferdickentoleranz, wodurch die Impedanzkontrolle lockerer wird. Bei Impedanzkontrolle zusammen mit Dickkupfer gilt die Dickkupfer-Angabe; die ±5% der Fertigungsmöglichkeiten dürfen dann nicht herangezogen werden.
Wann dieser Pfad ausgeschöpft ist: Die Kupferdicke hat die Mindestleiterbahnbreite auf ein für das Design nicht akzeptables Maß gedrückt, die Lagenbeschränkung kollidiert mit dem Verdrahtungsbedarf, oder die Impedanztoleranz widerspricht der Dickkupfer-Angabe. Mehr Kupfer verschlechtert danach alle drei Punkte gleichzeitig.
Pfad 3: Metallkern — anderes Basismaterial, aber auch weniger strukturelle Freiheit
Der dritte Pfad arbeitet nicht an Kupfer und Bohrungen, sondern ersetzt FR-4 durch eine Metallbasis. Die Wärme geht direkt vom Bauteil über die Isolationsschicht in die Metallbasis und von dort an Gehäuse oder Kühlkörper.
Was dieser Pfad bringt: Die Metallkern-Leiterplatte nennt 1,0–8,0 W/m·K Wärmeleitfähigkeit, Aluminium- oder Kupferbasis, 0,8–3,0 mm Aluminiumbasis-Dicke und 1oz–10oz Kupferdicke sowie HASL/ENIG/OSP. Die Aluminium-Leiterplatte liegt eine Stufe enger: 1,0–3,0 W/m·K, 1oz–6oz Kupferdicke, Durchschlagsspannung ≥3000V. Das ist der einzige der drei Pfade, der die Wärmeleiteigenschaft des Basismaterials selbst verändert.
Was dieser Pfad kostet:
- Lagenzahl. Die Aluminium-Seite nennt 1–4 Lagen, die Metallkern-Seite ein-/doppelseitig. Das ist nicht dasselbe Fenster wie die 2–64 Lagen der Fertigungsmöglichkeiten. Der Wechsel zur Metallbasis bedeutet den Verzicht auf mehrlagige Verdrahtung.
- Unterschiedliche Größenangaben. Aluminium maximal 1500×600 mm, Metallkern 1200×600 mm, Fertigungsmöglichkeiten insgesamt 1250×570 mm. Drei Werte, die nicht übereinstimmen — die Größenobergrenze hängt also von Produkttyp und Prozess ab und muss je Produkttyp bestätigt werden; der größte Wert darf nicht übernommen werden.
- Via-Freiheit. Bei ein-/doppelseitigem Aufbau sind Via-Typen und -Positionen deutlich eingeschränkter als bei Mehrlagenaufbauten; viele gewohnte Entwurfsmittel entfallen.
Wann dieser Pfad richtig ist: Wenn die Wärme die Leiterplatte verlassen und in das Gehäuse gelangen muss, auf der Platte keine Kupferfläche und keine Bohrpositionen mehr verfügbar sind, und sich der Verdrahtungsbedarf in 1–4 Lagen unterbringen lässt. Der letzte Halbsatz ist das eigentliche Kriterium: passt die Schaltung nicht in 4 Lagen, ist dieser Pfad nicht verfügbar und die Lösung muss auf Strukturebene gesucht werden (Aufteilung, externe Kühlung, Bauteil-Derating). Das gehört in eine Prüfung auf Projektebene.
Wechselkriterien zwischen den drei Pfaden
Aus den genannten Grenzen ergeben sich drei prüfbare Aussagen:
- Array füllt das Pad oder die Leiterplattendicke fixiert das Aspektverhältnis bei 10:1 → thermische Vias ausgeschöpft, weiter über Kupferfläche.
- Kupferdicke hat die Mindestleiterbahnbreite auf 6 mil gedrückt, die Lagenzahl stößt an 16 Lagen, oder die Impedanztoleranz muss bei ±5% bleiben → Dickkupfer ausgeschöpft, Basismaterialwechsel prüfen.
- Verdrahtung passt in 1–4 Lagen und die Wärme muss an das Gehäuse übergeben werden → Metallkern machbar; passt sie nicht in 4 Lagen, ist dieser Weg versperrt und es folgt eine Lösung auf Projektebene.
Umgekehrt gilt ebenso: benötigt die Verdrahtung mehr als zehn Lagen, sollte Metallkern von Anfang an nicht in die Kandidatenliste aufgenommen werden. Dann sind thermische Vias und innere Kupferflächen innerhalb des Mehrlagenaufbaus zu kombinieren und Bohrungen sowie Lötstoppmaske in der DFM-Prüfung auf Herstellbarkeit zu bestätigen.
Vier Angaben, die für die Prüfung zusammen eingereicht werden müssen
Diese Pfadentscheidung lässt sich nicht aus einer thermischen Anforderungsliste allein treffen. Die technische Prüfung benötigt gleichzeitig:
- Leiterplattendicke und Ziel-Lagenzahl, weil Aspektverhältnis und Lagenobergrenze zuerst entscheiden, welcher Pfad überhaupt offen ist.
- Anforderung an Mindestleiterbahnbreite/-abstand, um zu beurteilen, bis zu welcher Stufe die Kupferdicke steigen darf.
- Vorhandensein impedanzkontrollierter Netze und deren Toleranzklasse, um zu klären, ob Dickkupfer und Impedanz koexistieren können.
- Ob die Wärme zwingend an Gehäuse oder Kühlkörper übergeben werden muss, samt mechanischer Montageschnittstelle, um zu entscheiden, ob Metallkern notwendig ist.
Erst mit diesen vier Angaben kann die Fertigungsseite beurteilen, wie viel Reserve ein Pfad auf dieser konkreten Leiterplatte noch hat. Konkrete Fenster werden anhand der Projektunterlagen bestätigt — auch die Fertigungsmöglichkeiten weisen ausdrücklich darauf hin, dass die genannten Fenster keine allgemeingültigen Zusagen für jedes Produkt sind.
FAQ
F1: Wie viele thermische Vias und mit welchem Abstand?
Das ist ein Projektparameter, kein allgemeiner Wert. Die von SKPCB veröffentlichten Randbedingungen sind Mindestbohrdurchmesser 0,075 mm, Bohrtoleranz ±0,05 mm, Aspektverhältnis ≤10:1 sowie Lötstoppöffnung 0,003″ größer als das Pad und Standard-Lötstoppsteg 0,004″. Anzahl und Abstand sind innerhalb dieser Grenzen zusammen mit Pad-Geometrie und Lötverfahren in der DFM-Prüfung zu bestätigen; diese Seite gibt keine Empfehlungswerte.
F2: Verbessert sich die Wärmeableitung proportional, wenn die Kupferdicke von 3oz auf 6oz steigt?
Der seitliche Wärmeleitquerschnitt nimmt mit der Kupferdicke zu, die Fertigungsseite zieht jedoch gleichzeitig an: die Dickkupfer-Stufe entspricht 6 mil Mindestleiterbahnbreite, der Lagenbereich ist auf 1–16 Lagen begrenzt und die Impedanzkontrolle wird mit ±10% angegeben. Nutzen und diese drei Kosten sind gemeinsam zu bewerten; eine Quantifizierung erfordert eine projektbezogene thermische Prüfung. Diese Seite gibt keine Zahlenergebnisse.
F3: Metallkern nennt 1,0–8,0 W/m·K — ist mehr immer besser?
Höhere Wärmeleitfähigkeit entspricht anderen Material- und Aufbaukombinationen, während die Einschränkungen bei Lagenzahl und Via-Freiheit bestehen bleiben (Aluminium 1–4 Lagen, Metallkern ein-/doppelseitig). Entscheidend ist, wohin die Wärme abgeführt werden muss und ob sich die Schaltung in den verfügbaren Lagen unterbringen lässt — nicht der Wärmeleitwert allein. Die geeignete Stufe ist in der technischen Prüfung zu bestätigen.
F4: Lassen sich Dickkupfer und Metallkern kombinieren?
Die Metallkern-Seite nennt 1oz–10oz Kupferdicke, die Aluminium-Seite 1oz–6oz; beide liegen unter der Dickkupfer-Obergrenze von 3oz–>12oz, und die Lagenaufbauten unterscheiden sich. Ob diese Kombination machbar ist, muss anhand der Projektunterlagen in einer technischen Prüfung bestätigt werden; diese Seite gibt keine allgemeine Zusage.
F5: Ist der Dickkupfer-Pfad bei impedanzkontrollierten Leiterplatten noch möglich?
Diskutierbar, aber die Impedanzklasse richtet sich nach der Dickkupfer-Angabe: die Dickkupfer-Seite nennt ±10%, die ±5% der Fertigungsmöglichkeiten gelten für reguläre impedanzkontrollierte Leiterplatten. Verlangt das Design zwingend ±5%, ist die Dickkupfer-Lösung neu zu prüfen.
F6: Lassen sich die drei Pfade überlagern?
Innerhalb eines mehrlagigen FR-4-Aufbaus sind thermische Vias und innere Kupferflächen die reguläre Kombination. Metallkern ist aufgrund der Lagenbeschränkung (1–4 Lagen bzw. ein-/doppelseitig) mit mehrlagigen Via-Lösungen im Wesentlichen unvereinbar. Die Art der Überlagerung ist je konkretem Lagenaufbau und Leiterplattendicke in der DFM-Prüfung zu klären.