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PCB

열 저항 계산기를 통해

열 저항, 어레이 열 저항, 열 컨덕턴스 및 열 비아 설계를 위한 전류 전달 용량을 통해 PCB 계산

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공식

θvia=h/(kCu×ACu),θarray=θvia/Nθ_via = h / (k_Cu × A_Cu), θ_array = θ_via / N
θ_via— 열 저항을 통해 (°C/W)
h— 보드 두께 (m)
k_Cu— 구리 열전도율 (385 W/mK) (W/mK)
A_Cu— 구리 단면적 (m²)
N— 비자 수

작동 방식

Via 열 저항 계산기는 전력 전자 장치, LED 드라이버 및 고전력 IC의 열 관리에 필수적인 구리 도금 비아의 열 전달 능력을 계산합니다.열 엔지니어는 이를 사용하여 기판 간 접합 열 저항을 5-10C/W 미만으로 달성하여 장치 과열을 방지하는 비아 어레이를 설계합니다.

IPC-2152 부록 B에 따르면 단일 비아 열 저항은 R_th = L/ (k x A) 를 따릅니다. 여기서 L은 비아 길이 (보드 두께), k는 구리 열전도율 (385W/mK), A는 구리 고리 단면적입니다.1.6mm 보드에 25um 도금이 적용된 0.3mm 비아의 R_th는 약 150C/W로 전력 손실에 비해 너무 높습니다.이것이 바로 10~50개의 비아가 있는 써멀 비아 어레이가 표준 방식인 이유입니다.

비아 필은 열 성능을 크게 향상시킵니다. 비충진 비아는 25um 구리 배럴 벽을 통해서만 열을 전도하고, 구리로 채워진 비아는 전체 직경 0.3mm를 사용하므로 IPC-4761 타입 VII에 따라 열 저항이 6-8배 감소합니다.솔더 충전 비아 (Type V) 는 저렴한 비용으로 구리 충전 성능의 70% 를 달성합니다.

열 패드가 노출된 QFN/DFN 패키지의 경우 IPC-7093 에서는 드릴 직경 0.3mm의 피치를 통해 기판 대 주변 온도 저항을 20-30 C/W로 달성할 것을 권장합니다.2oz 내부 구리 평면과 함께 사용하면 열 편차가 없는 설계에 비해 접합 온도를 20-40°C 낮출 수 있습니다. 이는 종종 안정적인 작동과 열 차단의 차이입니다.

계산 예제

문제: QFN-16 패키지 (5x5mm 써멀 패드), 4-레이어 1.6mm FR4 보드의 3W LDO용 써멀 비아 어레이를 설계하고, 대상 R_th < 15C/W를 대상으로 패드에서 하단 구리 타입을 설계합니다.

IPC-7093 관련 솔루션: 1.싱글 비아 파라미터: 0.3mm 드릴, 25um 도금, L = 1.6mm 2.고리 면적: A = 픽셀 x ((0.3/2) ^2 - (0.25/2) ^2) = 파이 x (0.0225 - 0.0156) = 0.0217 mm2 3.싱글 비아 R_th: R = 1.6/(385 x 0.0217e-6) = 191 C/W 4.대상 어레이 R_th: 15C/W이므로 N = 191/15 = 최소 12.7비아가 필요합니다. 5.20% 마진: 1.0mm 피치의 4x4 어레이에서 N = 16개의 비아 (5mm 패드에 적합) 6.확인: 16개의 병렬 비아는 R_th = 191/16 = 11.9 C/W를 제공합니다. 7.3W에서의 온도 상승: 델타트 = 3 x 11.9 = 35.8C

결과: 0.3mm 비아로 구성된 4x4 어레이는 12C/W를 달성합니다. 더 나은 성능을 원하면 구리로 채워진 비아를 사용하여 동일한 어레이에서 2C/W를 얻을 수 있습니다.

실용적인 팁

  • ✓열 비아에는 0.6mm 패드가 있는 0.3mm 드릴을 사용하십시오. 드릴이 작으면 구리 면적이 충분하지 않고 드릴이 클수록 밀도가 감소합니다.이 지오메트리는 IPC-7093 기준 1.0mm 피치에 적합합니다.
  • ✓열 패드 아래의 비아에는 구리 또는 솔더 필을 지정하십시오. 보드당 0.10-0.30 달러를 추가하지만 IPC-4761 당 속이 빈 비아에 비해 R_th를 6-8배 줄입니다.
  • ✓어레이를 통해 2oz 내부 구리 평면에 열 연결 — 2oz 구리는 1oz의 2배 열전도율을 가지므로 IPC-2152 열 모델링에 따라 40% 더 나은 열 확산이 가능합니다.

흔한 실수

  • ✗적절한 충진 사양 없이 비아-인-패드 사용 — BGA/QFN 하에서 비충진된 비아는 솔더 위킹 및 보이드 (void) 를 유발하여 IPC-7095 기준 열 및 전기 성능을 모두 저하시킵니다.
  • ✗확산 저항을 고려하지 않고 열 저항을 계산하기 때문에 열이 비아 어레이에서 구리 평면으로 확산되어야 합니다. 평면 두께가 충분하지 않으면 IPC-2152 당 5-20C/W가 추가됩니다.
  • ✗PCB와 주변 온도 간의 열 저항을 무시하면 어레이를 통한 보드-접합 경로에만 도움이 됩니다. 총 R_th에는 주로 우세한 기판 대 주변 환경 (일반적으로 20-40C/W) 이 포함됩니다.

자주 묻는 질문

더 큰 비아는 구리 단면적이 더 크고 열 저항이 낮습니다.IPC-7093 기준: 0.2mm 비아는 R_TH가 약 300C/W이고, 0.3mm 비아는 약 150C/W이며, 0.4mm 비아는 약 80C/W입니다 (모두 25um 도금, 1.6mm 보드 사용).하지만 비아가 클수록 패드 면적이 더 많이 소모됩니다. 즉, 수량 대비 밸런스 직경이 더 많이 소모됩니다.
예 — IPC-4761 당 세 가지 방법: (1) N개의 평행 비아에는 R_th/n이 포함됩니다. (2) 구리 충전 (유형 VII) 을 사용하여 단일 비아 R_th를 6-8배 줄입니다. (3) 보드 두께 감소 — 0.8mm 보드의 R_th는 1.6mm의 절반입니다.비용 효율적인 접근 방식: 먼저 비아 카운트를 최대화한 다음 필요에 따라 필링을 추가합니다.
구리는 k = 385 W/mK일 때 최적입니다.구리로 채워진 비아 (IPC-4761 타입 VII) 는 최상의 성능을 제공합니다.솔더 충전 (타입 V, k 타입, 약 50W/mK) 은 구리 충전 성능의 70% 를 달성합니다.전도성 에폭시 충진 (k 약 3-10W/mK) 은 속이 빈 비아에 비해 개선이 최소화되므로 열 용도에서는 사용하지 마십시오.
경험상 속이 빈 비아의 경우 0.3W 당 1 비아 손실, 구리 충진의 경우 2W당 1 비아.정확한 계산을 위해 N = (단일_비아_R_TH)/(목표_R_TH) 를 참조하십시오.예: 150 C/W 싱글 비아, 10 C/W 목표 = 최소 15 비아.제조 변동과 인터페이스 저항에 25% 의 마진을 추가하십시오.
예. 피치가 너무 좁으면 (<0.8mm) 인접 비아에서 나오는 열이 중첩되어 열 그림자가 발생하여 유효 전도도가 15-30% 감소합니다.IPC-7093 에서는 최적의 열 확산을 위해 1.0-1.2mm 피치를 권장합니다.피치가 너무 넓으면 (>1.5mm) 제한된 패드 영역에서 비아 수가 줄어듭니다.

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