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Calculadora de Resistencia Térmica de Vías

Calcula la resistencia térmica de vías de cobre para disipar calor en PCBs de potencia.

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Fórmula

θvia=hkCuACu,θarray=θviaN,Imax=0.048 ΔT0.44ACu0.725 (ACu in mil2)\theta_{via} = \frac{h}{k_{Cu} A_{Cu}},\quad \theta_{array} = \frac{\theta_{via}}{N},\quad I_{max} = 0.048\,\Delta T^{0.44} A_{Cu}^{0.725}\ (A_{Cu}\ \text{in mil}^2)

Referencia: IPC-2221A Figure 6-4 (conductor current capacity, and its fit); Fourier conduction for θ

θ_via— Resistencia térmica de la vía (°C/W)
h— Grosor del tablero (m)
k_Cu— Conductividad térmica del cobre (385 W/mK) (W/mK)
A_Cu— Área de sección transversal de cobre (m²)
N— Número de vías
I_max— Capacidad de corriente por vía (IPC-2221, k = 0,048, A_Cu en mil²) (A)
ΔT— Aumento de temperatura permitido (°C)

Cómo Funciona

La calculadora de resistencia térmica Via calcula la capacidad de transferencia de calor de las vías revestidas de cobre, algo esencial para la gestión térmica de la electrónica de potencia, los controladores LED y los circuitos integrados de alta potencia. Los ingenieros térmicos utilizan esta tecnología para diseñar mediante matrices que logran una resistencia térmica de la unión a la placa inferior a 5 a 10 °C/W, lo que evita el sobrecalentamiento del dispositivo.

Según el apéndice B del IPC-2152, la resistencia térmica de vía única sigue a R_th = L/ (k x A), donde L es la longitud de la vía (grosor de la placa), k es la conductividad térmica del cobre (385 W/mK) y A es el área de la sección transversal del anillo de cobre. Una vía de 0,3 mm con revestimiento de 25 micras en una placa de 1,6 mm tiene aproximadamente 192 C/W, un valor demasiado alto para disipar potencia. Esta es la razón por la que las matrices de vías térmicas con entre 10 y 50 vías son una práctica habitual.

El llenado por vía mejora drásticamente el rendimiento térmico: las vías sin relleno conducen el calor solo a través de la pared del barril de cobre de 25 um; las vías rellenas de cobre utilizan el diámetro total de 0,3 mm, lo que reduce la resistencia térmica unas 3,3 veces según el IPC-4761 de tipo VII (de 192 a 59 C/W para esta vía). Las vías soldadas (tipo V) alcanzan el 70% del rendimiento de llenado de cobre a un costo menor.

Para los paquetes QFN/DFN con almohadillas térmicas expuestas, el IPC-7093 recomienda utilizar un paso de 1,0 a 1,2 mm con un diámetro de perforación de 0,3 mm para lograr una resistencia térmica entre la placa y el ambiente de 20 a 30 °C/W. En combinación con planos interiores de cobre de 2 onzas, esto puede reducir la temperatura de unión del entre 20 y 40 °C en comparación con los diseños sin vías térmicas, lo que suele ser la diferencia entre un funcionamiento fiable y un apagado térmico.

Ejemplo Resuelto

Problema: Diseño térmico mediante matrizpara LDO de 3 W en paquete QFN-16 (almohadilla térmica de 5 x 5 mm), placa FR4 de 4 capas de 1,6 mm, Target R_th < 15 C/W desde la almohadilla hasta el fondo, vertido de cobre.

Solución según el IPC-7093:

  1. Parámetros de vía única: broca de 0,3 mm, chapado de 25 um, L = 1,6 mm
  2. Área anular: A = pi x ((0,3/2) ^2 - (0,25/2) ^2) = pi x (0,0225 - 0,0156) = 0,0217 mm2
  3. Vía única R_th: R = 1.6/ (385 x 0.0217e-6) = 191 C/W
  4. Matriz objetivo R_th: 15 C/W, por lo que necesita N = 191/15 = 12,7 vías como mínimo
  5. Con un margen del 20%: N = 16 vías en una matriz de 4 x 4 con una inclinación de 1 mm (se adapta a una almohadilla de 5 mm)
  6. Verificación: 16 vías paralelas do R_th = 191/16 = 11.9 C/W
  7. Aumento de temperatura a 3 W: deltaT = 3 x 11,9 = 35,8 °C

Resultado: una matriz de 4 x 4 con vías de 0,3 mm alcanza 12 C/W. Para un mejor rendimiento, utilice vías rellenas de cobre para lograr 3,7 C/W con la misma matriz.

Consejos Prácticos

  • ✓Utilice una broca de 0,3 mm con una almohadilla de 0,6 mm para las vías térmicas; las brocas más pequeñas no tienen suficiente área de cobre; las brocas más grandes reducen la densidad. Esta geometría se ajusta a un paso de 1,0 mm según la IPC-7093.
  • ✓Especifique el relleno de cobre o soldadura para las vías situadas debajo de las almohadillas térmicas: añade entre 0,10 y 0,30 USD por placa, pero reduce R_th entre 2 y 10 veces en comparación con las vías huecas según el IPC-4761.
  • ✓Conecte la energía térmica mediante una matriz a un plano interno de cobre de 2 onzas: el cobre de 2 onzas tiene el doble de conductividad térmica que la de 1 onza, lo que permite una distribución del calor un 40% mejor según el modelado térmico IPC-2152.

Errores Comunes

  • ✗Uso de via-in-pad sin la especificación de llenado adecuada: las vías sin rellenar con niveles de BGA/QFN absorben la soldadura y dejan huecos, lo que reduce el rendimiento térmico y eléctrico según el IPC-7095.
  • ✗Calcular la resistencia térmica sin tener en cuenta la resistencia a la dispersión: el calor debe extenderse desde la matriz de vías a los planos de cobre; un grosor insuficiente del plano añade entre 5 y 20 C/W según el IPC-2152.
  • ✗Haciendo caso omiso de la resistencia térmica entre la PCB y el ambiente: mediante matrices solo se ayuda a la ruta de la placa a la unión; el total R_th incluye la relación entre la placa y el ambiente (normalmente de 20 a 40 C/W), que a menudo domina.

Preguntas Frecuentes

Las vías más grandes tienen más sección transversal de cobre y menor resistencia térmica. Según el IPC-7093: una vía de 0,2 mm tiene R_th de aproximadamente 300 C/W; una vía de 0,3 mm, aproximadamente 192 C/W; una vía de 0,4 mm tiene aproximadamente 141 C/W (todas con placa de 1,6 mm con revestimiento de 25 um). Sin embargo, las vías más grandes consumen más área de almohadilla, lo que equilibra el diámetro con la cantidad.
Sí, tres métodos según el IPC-4761: (1) Aumentar por recuento: N vías paralelas tienen R_th/N; (2) Utilizar relleno de cobre (tipo VII): reduce el R_th de una sola vía entre 2 y 10 veces; (3) Reducir el grosor de la placa: una placa de 0,8 mm tiene la mitad de R_th de 1,6 mm. Enfoque rentable: maximice primero el proceso mediante el recuento y, a continuación, añada el relleno si es necesario.
El cobre es óptimo con k = 385 W/mK. Las vías rellenas de cobre (IPC-4761 tipo VII) proporcionan el mejor rendimiento. Las rellenas con soldadura (tipo Vk, aproximadamente 50 W/mK) alcanzan el 70% del rendimiento de llenado de cobre. El relleno epoxídico conductivo (aproximadamente de 3 a 10 W/mK) proporciona una mejora mínima con respecto a las vías huecas; evítelo para aplicaciones térmicas.
Regla empírica: 1 vía por cada 0,3 W de disipación para las vías huecas, 1 vía por 2 W para las rellenas de cobre. Para un cálculo preciso: N = (single_via_R_th) / (target_R_th). Ejemplo: 192 C/W de vía única, objetivo de 10 C/W = 20 vías como mínimo. Añada un margen del 25% para la variación de fabricación y la resistencia de la interfaz.
Sí, una inclinación demasiado estrecha (<0,8 mm) provoca sombras térmicas cuando el calor de las vías adyacentes se superpone, lo que reduce la conductividad efectiva entre un 15 y un 30%. El IPC-7093 recomienda una separación de 1,0 a 1,2 mm para una distribución térmica óptima. La inclinación demasiado ancha (>1,5 mm) se reduce mediante el recuento en áreas de almohadilla restringidas.

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