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PCB

Via un calculateur de résistance thermique

Calculez les PCB en fonction de la résistance thermique, de la résistance thermique des réseaux, de la conductance thermique et de la capacité de transport de courant pour la conception thermique

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Formule

θvia=h/(kCu×ACu),θarray=θvia/Nθ_via = h / (k_Cu × A_Cu), θ_array = θ_via / N
θ_via— Par résistance thermique (°C/W)
h— Épaisseur du panneau (m)
k_Cu— Conductivité thermique du cuivre (385 W/mK) (W/mK)
A_Cu— Section transversale en cuivre (m²)
N— Nombre de vias

Comment ça marche

Le calculateur de résistance thermique des vias calcule la capacité de transfert de chaleur des vias cuivrés, ce qui est essentiel pour la gestion thermique de l'électronique de puissance, des pilotes LED et des circuits intégrés haute puissance. Les ingénieurs thermiques l'utilisent pour concevoir des réseaux qui atteignent une résistance thermique entre la jonction et la carte inférieure à 5 à 10 C/W, évitant ainsi la surchauffe de l'appareil.

Selon l'annexe B de l'IPC-2152, la résistance thermique à un seul via suit R_th = L/(k x A), où L est la longueur du via (épaisseur du panneau), k est la conductivité thermique du cuivre (385 W/mK) et A est la section transversale de l'anneau de cuivre. Un trou de 0,3 mm avec un placage de 25 µm sur une carte de 1,6 mm a un R_th d'environ 150 C/W, ce qui est bien trop élevé pour une dissipation de puissance. C'est pourquoi les réseaux thermiques de 10 à 50 vias sont une pratique courante.

Le remplissage des vias améliore considérablement les performances thermiques : les vias non remplis transmettent la chaleur uniquement à travers la paroi du barillet en cuivre de 25 µm ; les vias remplis de cuivre utilisent tout le diamètre de 0,3 mm, ce qui réduit la résistance thermique de 6 à 8 fois selon la norme IPC-4761 Type VII. Les vias remplis de soudure (type V) atteignent 70 % des performances de remplissage en cuivre à moindre coût.

Pour les boîtiers QFN/DFN dont les coussinets thermiques sont exposés, l'IPC-7093 recommande un pas de 1,0 à 1,2 mm avec un diamètre de perçage de 0,3 mm pour obtenir une résistance thermique entre la carte et la température ambiante de 20 à 30 C/W. Combiné à des plans intérieurs en cuivre de 2 oz, cela peut réduire la température de jonction de 20 à 40 °C par rapport aux modèles sans vias thermiques, ce qui fait souvent la différence entre un fonctionnement fiable et un arrêt thermique.

Exemple Résolu

Problème : conception d'une matrice thermique pour un LDO de 3 W dans un boîtier QFN-16 (tampon thermique de 5 x 5 mm), une carte FR4 de 1,6 mm à 4 couches, une cible R_th < 15 C/W du tampon au fond, coulée de cuivre.

Solution conforme à la norme IPC-7093 :

  1. Paramètres d'interconnexion unique : perçage de 0,3 mm, placage de 25 um, L = 1,6 mm
  2. Surface annulaire : A = pi x (0,3/2) ^2 - (0,25/2) ^2) = pi x (0,0225 - 0,0156) = 0,0217 mm2
  3. Simple via R_th : R = 1,6/(385 x 0,0217e-6) = 191 C/W
  4. Tableau cible R_th : 15 C/W, il faut donc N = 191/15 = 12,7 vias minimum
  5. Avec une marge de 20 % : N = 16 vias en réseau 4x4 à un pas de 1,0 mm (convient à un tampon de 5 mm)
  6. Vérifiez : 16 vias parallèles donnent R_th = 191/16 = 11,9 C/W
  7. Hausse de température à 3 W : DeltaT = 3 x 11,9 = 35,8 °C
Résultat : un réseau 4x4 de trous de 0,3 mm atteint 12 C/W. Pour de meilleures performances, utilisez des vias remplis de cuivre pour obtenir 2 C/W avec le même réseau.

Conseils Pratiques

  • ✓Utilisez un foret de 0,3 mm avec une pastille de 0,6 mm pour les vias thermiques : les forets plus petits ont une surface de cuivre insuffisante ; les forets plus grands réduisent la densité. Cette géométrie s'adapte à un pas de 1,0 mm conformément à la norme IPC-7093.
  • ✓Spécifiez un remplissage en cuivre ou en soudure pour les vias situés sous les pastilles thermiques : ajoute 0,10 à 0,30 $/carte mais réduit le R_th de 6 à 8 fois par rapport aux vias creux selon la norme IPC-4761.
  • ✓Connectez le système thermique via une matrice à un plan de cuivre interne de 2 oz : le cuivre de 2 oz a une conductivité thermique deux fois supérieure à celle de 1 oz, ce qui permet une meilleure répartition de la chaleur de 40 % selon la modélisation thermique IPC-2152.

Erreurs Fréquentes

  • ✗Utilisation d'un via-in-pad sans spécification de remplissage appropriée : les trous non remplis conformes à la norme BGA/QFN provoquent l'évacuation de l'humidité de la soudure et créent des vides, dégradant ainsi les performances thermiques et électriques conformément à la norme IPC-7095.
  • ✗Calcul de la résistance thermique sans tenir compte de la résistance d'étalement : la chaleur doit se propager depuis le réseau de via vers les plans de cuivre ; une épaisseur de plan insuffisante ajoute 5 à 20 C/W selon la norme IPC-2152.
  • ✗Ignorer la résistance thermique des PCB à l'environnement : les réseaux via ne facilitent que le chemin carte-jonction ; le R_th total inclut la carte à la température ambiante (généralement 20-40 C/W), qui domine souvent.

Foire Aux Questions

Les vias plus grands ont une section transversale en cuivre plus importante et une résistance thermique plus faible. Selon IPC-7093 : le via de 0,2 mm a un R_th d'environ 300 C/W ; le via de 0,3 mm a environ 150 C/W ; le via de 0,4 mm a environ 80 C/W (le tout avec un placage de 25 um, un panneau de 1,6 mm). Cependant, les vias plus grands consomment plus de surface de remplissage, ce qui permet d'équilibrer le diamètre par rapport à la quantité.
Oui, trois méthodes selon la norme IPC-4761 : (1) Augmenter le nombre de voies — N vias parallèles ont un R_th/n ; (2) Utiliser un remplissage en cuivre (type VII) — réduit le R_th du canal unique de 6 à 8 fois ; (3) Réduire l'épaisseur du panneau — le panneau de 0,8 mm a la moitié du R_th de 1,6 mm. Approche rentable : maximisez d'abord le nombre de via, puis ajoutez du remplissage si nécessaire.
Le cuivre est optimal avec k = 385 W/mK. Les vias remplis de cuivre (IPC-4761 Type VII) offrent les meilleures performances. Le remplissage par soudure (type V, k d'environ 50 W/mK) atteint 70 % des performances de remplissage en cuivre. Le remplissage en époxy conducteur (k d'environ 3 à 10 W/mK) offre une amélioration minimale par rapport aux vias creux, à éviter pour les applications thermiques.
Règle générale : 1 via par dissipation de 0,3 W pour les vias creux, 1 via par 2 W pour les trous remplis de cuivre. Pour un calcul précis : N = (Single_VIA_R_TH)/(Target_R_TH). Exemple : 150 canaux C/W simples, cible 10 canaux C/W = 15 canaux minimum. Ajoutez une marge de 25 % pour les variations de fabrication et la résistance d'interface.
Oui, un pas trop serré (<0,8 mm) provoque une ombre thermique lorsque la chaleur des vias adjacents se chevauche, réduisant ainsi la conductivité effective de 15 à 30 %. La norme IPC-7093 recommande un pas de 1,0 à 1,2 mm pour une répartition thermique optimale. Un pas trop large (> 1,5 mm) réduit le nombre de voies dans les zones restreintes des coussinets.

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