Skip to content
RFrftools.io
Thermal

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。

Loading calculator...

公式

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— サーマルレジスタンス (°C/W)
L— PCBの厚さ（ビア長） (m)
k_Cu— 銅バレルの熱伝導率 (385 W/m·K) (W/m·K)
k— 充填材の熱伝導率 (W/m·K)
A_ring— めっきバレルの断面積, π(r² − (r − t)²) (m²)
A_core— めっき内側の穴の断面積, π(r − t)² (m²)
f— 充填率
N— ビア数

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、熱エンジニア、およびパワーエレクトロニクス設計者は、ビアアレイを使用して、FR4の低い熱伝導率（銅の385 W/m·Kに対して0.3 W/m·K）を回避します。IPC-2221Bによると、1.6mm FR4を貫通する直径0.3mmの銅メッキビア（25μm 壁）1本の R_th は ≈ 192°C/Wです。銅充填ビアは R_th ≈ 59°C/Wを実現します。パラレルビアは総抵抗を下げます:N個のビアは R_total = R_single/N となり、5×5アレイの銅充填ビアは R_th ≈ 2.4℃/Wを実現し、純銅の性能に近づきます。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未満に保つための θSA < 10°C/W。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 = π×((0.15)² - (0.125)²) = 0.0216mm². R_via = 1.6mm/(385×0.0216mm²) = 192°C/W。銅充填の場合：面積= π×(0.15)² = 0.0707mm². R_via = 1.6mm/(385×0.0707mm²) = 59°C/W、必要数：N = 59/10 = パッドには最低6本の銅充填ビアが必要です。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 (θSA_sink = 5°C/W) の場合、合計 θSA = 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、絶縁型ビアアレイと比較して実効 θSA が20〜50％減少します

よくある間違い

  • ✗充填材の代わりにメッキのみのビアを使用する場合（メッキビア (25μm wall）は、銅充填ビアよりも熱抵抗が2～3倍高くなります。熱用途には充填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

経験則：測定可能な改善には最低4ビアを使用し、純銅の性能に近づけるには16～25ビアを使用します。定量的サイジングの場合：N = R_single_via / R_target. θ = 20°C/Wを対象とする1Wデバイスには銅充填ビアが約 3本必要です。 θ = 2°C/Wを対象とする10Wデバイスには約30本のビアが必要です。IPC-2152では、サーマルパッド面積の 0.5-1mm² あたり1ビアを推奨しています。
影響は最小限 — 円形ビアが標準で、熱性能と製造コストのバランスを最適に保ちます。直径が大きいほど熱抵抗 (R ∝ 1/面積) は向上しますが、配線スペースは小さくなります。標準サイズ:信号用に0.3mm、電源用に0.4-0.5mm、HDI用に0.2mm。IPC-4761に準拠した信頼性の高いめっきを行うには、ビアアスペクト比 (深さ/直径) が 10:1 未満である必要があります。
FR4:0.3-0.4 W/m·K (スループレーン)、0.8-1.0 W/m·K (ガラス織りによる面内)。銅:385 W/m·K アルミニウム基板:バーグキストによると、絶縁金属基板 (IMS) の場合は 1-2 W/m·K。メタルコア PCB: 誘電体用は 1 ～ 8 W/m·K で、固体アルミニウムバッキング (205 W/m·K) に接続されています。高出力LEDには、FR4よりもIMSまたはセラミック基板 (AlN: 170 W/m·K) の方が適しています。
サーマルビアには銅充填が適しています。ビアバレル全体に銅を充填し、断面積を最大化します。メッキビアは中心がくぼみ (標準は壁の厚さが (25-35μm ) で、有効面積が60～ 80% 減少します。コスト差は、ビア1本あたり0.001～0.005ドルです。QFN サーマルパッドの下のビアインパッドでは、J-STD-001H に従ってはんだの吸湿発散を防ぐため、充填して平坦化したビアが必要です。

関連記事

Thermal

ICの過熱：接合部温度の計算ガイド

電力損失と熱抵抗から接合部温度を計算します。実際に使用した例、熱マージン解析、一般的なヒートシンクが含まれています。

Thermal

PCBトレースが思ったより熱くなる理由

電流、幅、銅重量からPCBトレースの温度上昇を計算します。実際に使用した例、IPC-2152のコンテキスト、よくある熱設計ミスを掲載しています。

Shop Components

As an Amazon Associate we earn from qualifying purchases.

Thermal Paste

Thermal paste and grease for heatsink-to-component bonding

Amazon →

Heatsinks (TO-220)

Aluminum heatsinks for TO-220 and similar packages

Amazon →

Thermal Pads

Silicone thermal pads for PCB component cooling

Amazon →

関連計算ツール

Thermal

ジャンクション温度

電力損失と熱抵抗チェーン (θ JC + θ CS + θ SA) から半導体接合部温度を計算します。トランジスタ、MOSFET、および IC の熱設計に不可欠です。

Thermal

ヒートシンクの選択

デバイスの接合部を最高温度以下に保つために必要なヒートシンクの熱抵抗 (θ SA) を計算します。これを使用して適切なヒートシンクを選択してください。

PCB

ビア熱抵抗

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。

Thermal

ヒートシンク

MOSFET、IGBT、およびパワーICに必要なヒートシンクの熱抵抗 (θ _SA) とジャンクション温度を計算します。熱設計の実現可能性を検証してください。無料の結果。