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Thermal

Calculadora de Array de Vías Térmicas

Calcula la resistencia térmica de un array de vías PCB para conducción de calor entre capas.

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Fórmula

θvia=LkCuAring+k f Acore,θarray=θviaN\theta_{via} = \frac{L}{k_{Cu} A_{ring} + k\, f\, A_{core}}, \quad \theta_{array} = \frac{\theta_{via}}{N}
θ— Resistencia térmica (°C/W)
L— Grosor de PCB (por longitud) (m)
k_Cu— Conductividad térmica del barril de cobre (385 W/m·K) (W/m·K)
k— Conductividad térmica del relleno (W/m·K)
A_ring— Sección del barril chapado, π(r² − (r − t)²) (m²)
A_core— Sección del orificio interior al chapado, π(r − t)² (m²)
f— Fracción de relleno
N— Número de vías

Cómo Funciona

La calculadora térmica mediante matriz calcula la resistencia térmica vertical de las PCB para la extracción de calor de los dispositivos de alimentación montados en superficie, algo esencial para el diseño de las almohadillas térmicas QFN, la gestión térmica de las PCB LED y la refrigeración de componentes SMD de alta potencia. Los diseñadores de PCB, los ingenieros térmicos y los diseñadores de electrónica de potencia utilizan matrices via para evitar la mala conductividad térmica del FR4 (0,3 W/m·K frente a 385 W/m·K del cobre). Según el IPC-2221B, una sola vía chapada en cobre de 0,3 mm de diámetro (a través de una pared de (25μm) a 1,6 mm de FR4 tiene R_th ≈ 192°C/W; las vías rellenas de cobre alcanzan R_th ≈ 59°C/W. Las vías paralelas reducen la resistencia total: N vías dan R_total = R_single/N. Una matriz de 5×5 vías rellenas de cobre alcanza R_th ≈ 2,4°C/W, cerca del rendimiento del cobre macizo. La inclinación de la vía debe ser ≥0,8 mm (de centro a centro) para evitar problemas de fabricación de PCB.

Ejemplo Resuelto

Diseñe una matriz térmica para LED de 3 W en una PCB FR4 de 1,6 mm de grosor con una almohadilla térmica de 6 × 6 mm. Objetivo: θSA < 10°C/W para mantener la unión por debajo de los 85 °C y Ta = 50 °C. Cálculo único: diámetro = 0,3 mm, pared chapada = 25μm, conductividad del cobre = 385 W/m·K. Área anular = π×((0.15)² - (0.125)²) = 0.0216mm². R_via = 1.6mm/(385×0.0216mm²) = 192°C/W por vía chapada. Para tapizados con cobre: área = π×(0.15)² = 0.0707mm². R_via = 1.6mm/(385×0.0707mm²) = 59°C/W. Número requerido: N = 59/10 = 6 vías rellenas de cobre como mínimo por almohadilla. Colóquelo en una matriz de 3 × 3 (9 vías) con una inclinación de 2 mm dentro de una almohadilla de 6 × 6 mm: R_total = 59/9 = 6,6°C/W. Esto supera el objetivo y proporciona un margen del 34%. Con el disipador térmico (θSA_sink = 5°C/W en la parte inferior, el total es de θSA = 6.6 + 5 = 11,6°C/W. Tj = 50 + 3×11,6 = 84,8 °C, dentro del objetivo de 85 °C.

Consejos Prácticos

  • ✓Las vías rellenas de cobre cuestan entre un 30 y un 50% más que las vías chapadas estándar, pero proporcionan un rendimiento térmico de 2 a 3 veces mejor, rentables para una potencia de más de 2 W por almohadilla
  • ✓La tecnología Via-in-Pad con planarización permite colocar los componentes directamente sobre las vías, algo esencial para los diseños de almohadillas térmicas QFN y BGA según IPC-7095D
  • ✓Conéctese mediante una matriz a planos terrestres o de alimentación internos: los aviones proporcionan una distribución lateral del calor, lo que reduce la efectividad de θSA entre un 20 y un 50% en comparación con los planos aislados mediante una matriz

Errores Comunes

  • ✗Usar vías solo chapadas en lugar de rellenas: las vías chapadas ( (25μm pared) tienen una resistencia térmica de 2 a 3 veces mayor que las rellenas de cobre; especifique las vías rellenas para aplicaciones térmicas
  • ✗Espaciar las vías demasiado cerca: el paso de paso inferior a 0,8 mm provoca el riesgo de delaminación del PCB durante el reflujo; según el IPC-2221B, se recomienda un paso de 1 mm para matrices de vía térmica
  • ✗Ignorar la absorción de la soldadura: las vías sin relleno pueden absorber la soldadura de la almohadilla térmica durante el montaje y crear huecos; utilice una máscara de soldadura, una tienda de campaña o una almohadilla integrada con tapa

Preguntas Frecuentes

Regla general: 4 vías como mínimo para una mejora mensurable, 16 a 25 vías se aproximan al rendimiento del cobre sólido. Para el dimensionamiento cuantitativo: N = R_single_via / R_target. A Un dispositivo de 1 W orientado a θ = 20°C/W necesita aproximadamente 3 vías rellenas de cobre; un dispositivo de 10 W que apunta a θ = 2°C/W necesita ~ 30 vías. El IPC-2152 recomienda 1 almohadilla térmica a través de Per 0.5-1mm² de área.
Impacto mínimo: las vías circulares son estándar y equilibran de manera óptima el rendimiento térmico con el costo de fabricación. Un diámetro mayor mejora la resistencia térmica (R ∝ 1/área) pero reduce el espacio de enrutamiento. Tamaños estándar: 0,3 mm para señal, 0,4-0,5 mm para alimentación, 0,2 mm para HDI. La relación de aspecto (profundidad/diámetro) debe ser inferior a 10:1 para un chapado fiable según el IPC-4761.
FR4:0,3-0,4 W/m·K (plano transversal), 0,8-1,0 W/m·K (en el plano debido al tejido del vidrio). Cobre: 385 W/m·K. Sustrato de aluminio: 1-2 W/m·K para sustrato metálico aislante (IMS) según Bergquist. PCB con núcleo metálico: 1-8 W/m·K para dieléctricos, conectada a una base de aluminio macizo (205 W/m·K). Para LED de alta potencia, se prefieren sustratos IMS o cerámicos (AlN: 170 W/m·K) en lugar de FR4.
Se prefiere el relleno de cobre para las vías térmicas: llena todo el barril con cobre, lo que maximiza el área de la sección transversal. Plated vias have hollow center (25-35μm wall thickness typical), reducing effective area by 60-80%. Diferencia de coste: $0.001-0.005 per via. Para las almohadillas térmicas Via-in-Pad con QFN, se requieren vías rellenas y aplanadas para evitar que la soldadura absorba la humedad según el J-STD-001H.

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