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熱抵抗計算ツール経由

熱ビア設計のPCBビア熱抵抗、アレイ熱抵抗、熱コンダクタンス、および電流容量を計算

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公式

θvia=h/(kCu×ACu),θarray=θvia/Nθ_via = h / (k_Cu × A_Cu), θ_array = θ_via / N
θ_via— ビア熱抵抗 (°C/W)
h— ボードの厚さ (m)
k_Cu— 銅の熱伝導率 (385 W/mK) (W/mK)
A_Cu— 銅断面積 (m²)
N— ビア数

仕組み

ビア熱抵抗カリキュレータは、パワーエレクトロニクス、LEDドライバ、およびハイパワーICの熱管理に不可欠な銅メッキビアの熱伝達能力を計算します。熱技術者はこれを利用して、接合部と基板の間の熱抵抗が5～10 C/W未満になるビアアレイを設計し、デバイスの過熱を防止します。

IPC-2152 付録 B によると、シングルビアの熱抵抗は R_th = L/(k x A) の次になります。ここで L はビアの長さ (ボードの厚さ)、k は銅の熱伝導率 (385 W/mK)、A は銅の環状の断面積です。1.6mmボードに25umメッキを施した0.3mmのビアの場合、R_thは約150C/Wで、電力損失には高すぎます。これが、10～50のビアを備えたサーマル・ビア・アレイが標準的な方法である理由です。

ビアフィルは熱性能を劇的に向上させます。充填されていないビアは25umの銅バレルの壁を通してのみ熱を伝導しますが、銅で充填されたビアは直径0.3mm全体を使用するため、熱抵抗がIPC-4761タイプVIIの6～8倍に減少します。ハンダ充填ビア (タイプ V) は、低コストで銅充填性能の 70% を実現します。

サーマルパッドが露出しているQFN/DFNパッケージの場合、IPC-7093は、基板周囲に対する熱抵抗が20〜30C/Wになるように、ビアピッチ1.0〜1.2mm、ドリル径0.3mmを推奨しています。これを2オンスの内部銅プレーンと組み合わせると、サーマルビアのない設計と比較して、接合部温度を20〜40℃下げることができます。これは、多くの場合、信頼性の高い動作とサーマルシャットダウンの差です。

計算例

問題：QFN-16パッケージ（5x5mmサーマルパッド）、4層1.6mm FR4ボードの3W LDO用のサーマルビアアレイを設計し、パッドから底部銅注入までのR_th <15C/Wを目標とします。

IPC-7093 に準拠したソリューション: 1.シングルビアパラメータ：0.3mmドリル、25umメッキ、L = 1.6mm 2.環面積:A = 円周率 x ((0.3/2) ^2-(0.25/2) ^2) = 円周率 x (0.0225-0.0156) = 0.0217 mm2 3.R_th 経由のシングル:R = 1.6/(385 x 0.0217e-6) = 191 C/W 4.ターゲットアレイ R_th: 15 C/W なので、最小でも N = 191/15 = 12.7 ビアが必要です 5.マージンが 20% の場合:N = 1.0mmピッチの4x4アレイのビア16個 (5mmパッドに適合) 6.検証:16 本のパラレルビアから R_th = 191/16 = 11.9 C/W が得られる 7.3W での温度上昇:デルタット = 3 x 11.9 = 35.8C

結果:0.3mmビアを4x4アレイにすると12C/Wを達成しますが、パフォーマンスを向上させるには、銅を充填したビアを使用して同じアレイで2C/Wを実現してください。

実践的なヒント

  • ✓サーマルビアには0.6mmパッド付きの0.3mmドリルを使用してください。ドリルが小さいと銅面積が不十分になり、ドリルが大きいほど密度が低下します。この形状は、IPC-7093に準拠した1.0mmピッチに適合します。
  • ✓サーマルパッド下のビアには銅またはハンダで充填してください。IPC-4761によると、ボードあたり0.10～0.30ドルかかりますが、R_thは中空ビアと比較して6〜8倍減少します。
  • ✓サーマルビアアレイを2オンスの内部銅プレーンに接続 — 2オンスの銅は1オンスの2倍の熱伝導率を備えているため、IPC-2152の熱モデリングに従って熱伝導率が 40% 向上します。

よくある間違い

  • ✗適切な充填仕様なしにビア・イン・パッドを使用する場合 — BGA/QFNでビアが充填されていないと、はんだの吸湿性とボイドが発生し、IPC-7095に準拠した熱的性能と電気的性能の両方が低下します。
  • ✗広がり抵抗を考慮せずに熱抵抗を計算すると、熱はビアアレイから銅面に広がる必要があります。面の厚さが不十分だと、IPC-2152あたり5〜20C/W増加します。
  • ✗PCBから周囲への熱抵抗は無視してください。ビアアレイは基板から接合への経路にのみ役立ち、総R_thには基板から周囲への伝送（通常は20〜40C/W）が含まれることが多く、これが支配的であることが多いです。

よくある質問

ビアが大きいほど銅の断面積が大きくなり、熱抵抗が低くなります。IPC-7093によると、0.2mmビアのR_thは約300C/W、0.3mmビアは約150C/W、0.4mmビアは約80C/W（すべて25umメッキ、1.6mmボード）です。ただし、ビアが大きいほどパッド面積が大きくなります。つまり、直径と量のバランスが取れます。
はい。IPC-4761あたり3つの方法：(1) ビア数を増やす — N個のパラレルビアにはR_th/nがある。(2) 銅フィル (タイプVII) を使用する — シングルビアのR_thを6〜8倍に減らす。(3) 基板の厚さを減らす — 0.8mm基板のR_thは1.6mmの半分になる。費用対効果の高い方法:まずビア数を最大にしてから、必要に応じてフィルを追加してください。
銅は k = 385 W/mK のときが最適です。銅充填ビア (IPC-4761 タイプ VII) が最高の性能を発揮します。ハンダ充填 (タイプ V k、約 50 W/mK) では、銅充填性能の 70% を実現しています。導電性エポキシフィル (k 約 3-10 W/mK) では、中空ビアと比べてほとんど改善されないため、熱用途での使用は避けてください。
経験則では、中空ビアでは消費電力0.3Wあたり1ビア、銅充填ビアでは2Wあたり1ビアです。正確な計算を行うには、N = (シングルビア_R_TH)/(ターゲット_R_TH) となります。例:150 C/W シングルビア、10 C/W ターゲット = 最小 15 ビア。製造時のばらつきとインターフェース抵抗には 25% のマージンを加えてください。
はい。ピッチが狭すぎる（0.8mm未満）と、隣接するビアからの熱が重なってサーマルシャドウが発生し、有効導電率が15〜30％低下します。IPC-7093では、最適な熱拡散を実現するために1.0〜1.2mmのピッチを推奨しています。ピッチが広すぎる (1.5mm以上) と、制約のあるパッド領域のビア数が減少します。

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