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ビア熱抵抗計算ツール

PCBの熱管理のための熱ビア抵抗、アレイコンダクタンス、および電流容量を計算します。配列により充填およびメッキ処理を施したデザイン。無料ですぐに結果が得られます。

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公式

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)

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

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
I_max— ビアあたりの電流容量 (IPC-2221、k = 0.048、A_Cu は mil²) (A)
ΔT— 許容温度上昇 (°C)

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) に従います。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のビアは、 R_th 約192C/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、熱抵抗は IPC-4761 タイプVII で約3.3分の1（このビアでは192から59C/W）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大きな違いです。

計算例

問題：QFN-16パッケージ（5x5mmサーマルパッド）の3W LDO用 サーマル・ビア・アレイ、4層1.6mm FR4ボード、ターゲット R_th < 15 C/Wのパッドから底面までの銅注入設計。

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 = pi x ((0.3/2) ^2-(0.25/2) ^2) = pi x (0.0225-0.0156) = 0.0217 mm2
  3. シングルビア R_th: 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、最低でも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 本のパラレルビアで R_th = 191/16 = 11.9 C/W
  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3.7C/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2〜10分の1に減少します。
  • ✓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によると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ますが、合計 R_th には、しばしば支配的な基板から周囲への伝達（通常は20〜40C/W）が含まれます。

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ビアは R_th 約300C/W、0.3mmビアは約192C/W、0.4mmビアは約141C/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による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; （2）銅フィル（タイプVII）を使用する-シングルビア R_th を2〜10分の1に減らす。（3）基板の厚さを減らす-0.8mm基板は R_th の1.6mmの半分になる。費用対効果の高いアプローチ:最初にビア数を最大化し、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。正確な計算の場合:N = (single_via_R_th) / (target_R_th). 例:192 C/W シングルビア、10 C/W ターゲット = 最小 20 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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