サーマル・ビア・アレイ計算ツール
SMDパッケージから内部の銅面またはヒートシンクへの熱拡散に対するPCBのサーマルビアアレイの熱抵抗を計算します。
公式
仕組み
サーマルビアレイ計算機は、QFNサーマルパッド設計、LED PCBの熱管理、および高出力SMDコンポーネントの冷却に不可欠な表面実装パワーデバイスからの熱抽出のためのPCBの垂直熱抵抗を計算します。PCB設計者、熱技術者、パワーエレクトロニクスの設計者は、ビアアレイを使用してFR4の熱伝導率が低い（銅の385 W/m・kに対して 0.3 W/m・k）を回避しています。IPC-2221Bによると、1.6mm FR4を通る直径0.3mmの銅メッキビア（壁25μm）1本のR_thは約70°C/Wで、銅で充填されたビアはR_th≈30°C/Wになります。パラレルビアは総抵抗を低減します。N個のビアはR_Total = R_single/Nになります。5×5配列の銅充填ビアはR_th≈1.2°C/Wを実現します。純銅の性能に近づいています。PCBの製造上の問題を回避するために、ビアピッチは0.8mm（中心から中心まで）以上でなければなりません。
計算例
6×6mmのサーマルパッドを備えた1.6mmの厚さのFR4 PCB上の3W LED用のサーマルビアアレイを設計します。目標：Ta = 50°Cで接合部を85°C未満に保つため、Ta = 50°Cで接合部を85°C未満に保ちます。シングルビア計算：直径= 0.3mm、メッキ壁 = 25μm、銅伝導率 = 385 W/m・k。環状面積 = py× (0.15) ²-(0.125) ²) = 0.0216mm²。R_via = 1.6mm/ (385×0.0216mm²) = 192°C/W (メッキビアあたり)銅充填の場合:面積 = パイ× (0.15) ² = 0.0707mm²。R_via = 1.6mm/ (385×0.0707mm²) = 59°C/W。必要な数:N = 59/10 = パッドには銅を充填したビアが最低6本必要です。6×6mmパッド内に2mmピッチの3×3アレイ (9ビア) を配置:R_Total = 59/9 = 6.6°C/W。これは目標を上回り、34% のマージンが得られます。底面ヒートシンク（θ SA_SINK = 5°C/W）の場合、合計θ SA = 6.6+ 5 = 11.6°C/W。Tj = 50 + 3×11.6 = 84.8°C — 85°Cの目標範囲内。
実践的なヒント
- ✓銅充填ビアは、標準メッキビアよりも30～ 50% 高いが、熱性能は2～3倍向上し、パッドあたり2Wを超える電力では費用対効果が高い
- ✓平坦化機能を備えたビア・イン・パッドにより、部品をビア上に直接配置できます。これは、IPC-7095Dに準拠したQFNおよびBGAのサーマル・パッド設計に不可欠です
- ✓アレイを介して内部のグランド/電源プレーンに接続 — プレーンは横方向に熱を拡散するため、アレイを介して絶縁された場合と比較して実効θSAが20～ 50% 減少します
よくある間違い
- ✗充填ビアではなくメッキのみのビアを使用 — メッキビア（25μm壁）は、銅充填ビアよりも2〜3倍高い熱抵抗を示します。熱用途にはフィルドビアを指定してください
- ✗ビアの間隔が狭すぎる — ビアピッチが0.8mm未満の場合、リフロー時にPCBの層間剥離のリスクが生じる。サーマルビアアレイの場合、IPC-2221Bでは1mmピッチが推奨される
- ✗ハンダウィッキングを無視 — 充填されていないビアは、組み立て時にサーマルパッドからはんだを逃がしてボイドが発生するおそれがあります。ソルダーマスクテンティングまたはキャップメッキ付きのビアインパッドを使用してください。
よくある質問
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