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Thermal

써멀 비아 어레이 계산기

SMD 패키지에서 내부 구리 평면 또는 히트싱크로 열이 확산되는 PCB 열 비아 어레이의 열 저항을 계산합니다.

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공식

θvia=Lk⋅A,θarray=θviaN\theta_{via} = \frac{L}{k \cdot A}, \quad \theta_{array} = \frac{\theta_{via}}{N}
θ— 열 저항성 (°C/W)
L— PCB 두께 (길이 기준) (m)
k— 열 전도도 (W/m·K)
A— 횡단면적을 통해 (m²)
N— 비자 수

작동 방식

Thermal via Array 계산기는 표면 실장 전력 장치에서 열을 추출하기 위해 PCB 수직 열 저항을 계산합니다. 이는 QFN 열 패드 설계, LED PCB 열 관리 및 고전력 SMD 부품 냉각에 필수적입니다.PCB 설계자, 열 엔지니어 및 전력 전자 설계자는 비아 어레이를 사용하여 FR4의 열악한 열전도율 (0.3W/m·k 대 구리 385W/m·k) 을 우회합니다.IPC-2221B 규격에 따르면 직경 0.3mm의 구리 도금 비아 (벽 25μm) 에서 1.6mm FR4까지의 단일 비아는 R_Th ≈ 70°C/W입니다. 구리로 채워진 비아는 R_th ≈ 30°C/W에 도달합니다. 병렬 비아는 전체 저항을 감소시킵니다. N 바이아는 R_Total = R_Single/n을 제공합니다. 구리로 채워진 비아를 5×5 배열로 구성하면 R_th ≈ 1.2°C/W를 달성할 수 있습니다. 견고한 구리 성능을 제공합니다.PCB 제조 문제를 피하려면 비아 피치가 0.8mm 이상 (중심에서 중심까지) 이어야 합니다.

계산 예제

6×6mm 써멀 패드가 있는 1.6mm 두께의 FR4 PCB의 3W LED용 써멀 비아 어레이를 설계합니다.목표: Ta = 50°C에서 접합부를 85°C 미만으로 유지하는 데 SA < 10°C/W. 단일 비아 계산: 직경 = 0.3mm, 도금 벽 = 25μm, 구리 전도도 = 385W/m·k. 환형 면적 = π× ((0.15) ² - (0.125) ²) = 0.0216mm².R_via = 1.6mm/ (385×0.0216mm²) = 도금 비아당 192°C/W.구리 충전의 경우: 면적 = π× (0.15) ² = 0.0707mm².R_VIA = 1.6mm/ (385×0.0707mm²) = 59°C/W. 필수 개수: N = 59/10 = 구리로 채워진 패드 최소 6개6×6mm 패드 내에서 2mm 피치의 3×3 어레이 (9 비아) 로 정렬: R_합계 = 59/9 = 6.6°C/W. 이는 목표치를 초과하여 34% 의 마진을 제공합니다.하단 히트싱크 (θSA_Sink = 5°C/W) 를 사용할 경우 총 θSA는 6.6 + 5 = 11.6°C/W입니다. Tj = 50 + 3×11.6 = 84.8°C — 85°C 이내입니다.

실용적인 팁

  • ✓구리로 채워진 비아는 표준 도금 비아보다 30-50% 더 비싸지만 열 성능이 2-3배 더 우수합니다. 패드당 2W 이상의 전력에 비용 효율적입니다.
  • ✓평탄화 기능이 있는 비아-인-패드로 구성 요소를 비아 위에 직접 배치할 수 있습니다. 이는 IPC-7095D 기준 QFN 및 BGA 열 패드 설계에 필수적입니다.
  • ✓어레이를 통해 내부 접지/파워 플레인에 연결 — 플레인은 측면 열 확산을 제공하여 어레이를 통해 분리된 경우와 비교하여 유효 θSA를 20-50% 감소시킵니다.

흔한 실수

  • ✗충전 도금된 비아 (25μm 벽) 대신 도금 전용 비아를 사용하면 구리 충진보다 열 저항이 2-3배 더 높습니다. 열 응용 분야의 경우 충진 비아를 지정하십시오.
  • ✗비아 간격이 너무 좁으면 경유 피치가 0.8mm 미만이면 리플로우 시 PCB 박리 위험이 발생합니다. 열 경유 어레이의 경우 IPC-2221B 기준 1mm 피치 권장
  • ✗솔더 위킹 무시 — 채워지지 않은 비아는 조립 중에 써멀 패드에서 솔더를 흡수하여 보이드가 생길 수 있습니다. 솔더 마스크 텐트나 캡 도금이 적용된 비아 인 패드를 사용하십시오.

자주 묻는 질문

경험상 측정 가능한 개선을 위해서는 최소 4개의 비아가 필요하고, 16-25바이아는 솔리드 구리 성능에 근접합니다.정량적 사이징의 경우: N = R_Single_via/ R_Target.θ = 20°C/W를 대상으로 하는 1W 디바이스에는 ~3개의 구리 충전 비아가 필요하고, θ = 2°C/W를 타겟팅하는 10W 디바이스에는 ~30개의 비아가 필요합니다.IPC-2152 에서는 써멀 패드 면적 0.5-1mm²당 1개의 비아를 권장합니다.
영향 최소화 — 원형 비아가 표준이며 열 성능과 제조 비용의 균형을 최적으로 유지합니다.직경이 클수록 열 저항은 향상되지만 (R 1/면적) 라우팅 공간은 줄어듭니다.표준 크기: 신호의 경우 0.3mm, 전력의 경우 0.4-0.5mm, HDI의 경우 0.2mm.IPC-4761 규격의 안정적인 도금을 위해서는 비아 종횡비 (깊이/직경) 가 10:1 미만이어야 합니다.
FR4:0.3-0.4 W/m·k (평면 관통), 0.8-1.0 W/m·K (유리 직조로 인한 평면 내).구리: 385W/m·K. 알루미늄 기판: 버그퀴스트 기준 절연 금속 기판 (IMS) 의 경우 1-2W/m·k메탈 코어 PCB: 유전체의 경우 1-8W/m·K, 견고한 알루미늄 백킹에 연결 (205W/m·K).고출력 LED의 경우 FR4보다 IMS 또는 세라믹 기판 (AlN: 170W/m·K) 이 선호됩니다.
열 비아에는 구리 충전이 선호됩니다. 비아 배럴 전체를 구리로 채워 단면적을 최대화합니다.도금된 비아는 중심이 속이 비어 있어 (일반적으로 벽 두께 25-35μm) 유효 면적이 60-80% 감소합니다.비용 차이: 비아당 0.001-0.005 달러.QFN 써멀 패드 아래의 비아-인-패드의 경우, J-STD-001H 기준에 따라 솔더 위킹을 방지하기 위해 필링 및 평탄화된 비아가 필요합니다.

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