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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=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— 열 저항성 (°C/W)
L— PCB 두께 (길이 기준) (m)
k_Cu— 구리 배럴의 열전도율 (385 W/m·K) (W/m·K)
k— 충전재의 열전도율 (W/m·K)
A_ring— 도금 배럴의 단면적, π(r² − (r − t)²) (m²)
A_core— 도금 안쪽 구멍의 단면적, π(r − t)² (m²)
f— 충전율
N— 비아 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, 전력 전자 설계자는 FR4의 낮은 열전도율 (구리 385W/m·K 대비 0.3W/m·K) 을 우회하기 위해 비아 어레이를 사용합니다. IPC-2221B 규격에 따르면, 직경 0.3mm 구리 도금 비아 (25μm 벽) 부터 1.6mm FR4를 관통하는 단일 비아는 R_th ≈ 192°C/W입니다. 구리로 채워진 비아는 R_th ≈ 59°C/W를 달성합니다. 병렬 비아는 전체 저항을 줄입니다. R_total = R_single/N. 구리로 채워진 비아 (via) 의 5×5 어레이는 R_th ≈ 2.4°C/W를 달성하여 고체 구리 성능에 근접합니다. 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 유지하기 위한 θSA < 10°C/W. 단일 비아 계산: 직경 = 0.3mm, 도금 벽 = 25μm, 구리 전도도 = 385 W/m·K. 환형 면적 = π×((0.15)² - (0.125)²) = 0.0216mm². R_via = 1.6mm/(385×0.0216mm²) = 192°C/W.구리로 채워진 경우: 면적 = π×(0.15)² = 0.0707mm². R_via = 1.6mm/(385×0.0707mm²) = 59°C/W. 필수 개수: N = 59/10 = 패드용 구리 충전 비아 최소 6개6×6mm 패드 내에서 2mm 피치의 3×3 어레이 (9 비아) 로 배열: R_total = 59/9 = 6.6°C/W. 이는 목표치를 초과하여 34% 의 마진을 제공합니다.하단 히트싱크 (θSA_sink = 5°C/W), 합계는 θSA = 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 분리되는 것에 비해 효율 θSA 를 20-50% 줄입니다.

흔한 실수

  • ✗충전 — 도금 비아 ( (25μm wall) 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: 385 W/m·K. 알루미늄 기판: 1-2 W/m·K 버그퀴스트 기준 절연 금속 기판 (IMS) 용금속 코어 PCB: 유전체용 1-8 W/m·K , 견고한 알루미늄 백킹에 연결 (205 W/m·K). 고출력 LED의 경우), IMS 또는 세라믹 기판 (AlN: 170 W/m·K) 이 FR4보다 선호됩니다.
열 비아에는 구리 충전이 선호됩니다. 비아 배럴 전체를 구리로 채워 단면적을 최대화합니다.도금된 비아는 가운데가 속이 비어 있어 (일반적으로 (25-35μm 벽 두께) 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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