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Calculadora de rede de resistência térmica

Calcule as temperaturas da junção, da caixa e do dissipador de calor por meio de uma rede de resistência térmica em série (θJC + θCS + θSA) para gerenciamento térmico de componentes

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Fórmula

TJ=TA+PD×(θJC+θCS+θSA)T_J = T_A + P_D × (θ_JC + θ_CS + θ_SA)
T_J— Temperatura de junção (°C)
T_A— Temperatura ambiente (°C)
P_D— Dissipação de energia (W)
θ_JC— Resistência térmica de junção a caixa (°C/W)
θ_CS— Resistência térmica da caixa ao dissipador de calor (°C/W)
θ_SA— Resistência térmica do dissipador de calor ao ambiente (°C/W)

Como Funciona

A calculadora de rede de resistência térmica analisa os caminhos do fluxo de calor de várias camadas usando a analogia do circuito elétrico — essencial para análise térmica de PCB, design de módulo de vários chips e modelagem térmica complexa de gabinetes. Engenheiros térmicos, especialistas em embalagens e engenheiros de confiabilidade usam modelos de rede para prever a distribuição de temperatura e identificar gargalos térmicos. De acordo com JEDEC JESD51-14, resistência térmica R_th = L/ (K × A) onde L é espessura (m), k é condutividade térmica ( (W/m·K), ) e A é área transversal (resistências da série (m²). adicionam diretamente (R_total = R1 + R2 +...); caminhos paralelos combinam como 1/R_total = 1/R1 + 1/R2 +... Condutividades do material: cobre 385 W/m·K, Alumínio 205 W/m·K, FR4 0.3 W/m·K, Silicon 150 W/m·K, Graxa térmica 1-5 W/m·K, AIR 0.026 W/m·K.

Exemplo Resolvido

Modele o caminho térmico para o pacote QFN-32 em PCB de 4 camadas com almofada térmica exposta. Pilha de camadas (de cima para baixo): matriz (silício, 0,3 mm), fixação de matriz (epóxi, 0,025 mm), estrutura de chumbo (cobre, 0,2 mm), solda (SAC305, 0,1 mm), cobre PCB (35μm), FR4 (1,5 mm), ar ambiente. Área = 5 mm × 5 mm = 25mm². Calcule cada camada: R_die = 0.3mm/(150×25mm²) = 0,08°C/W. R_attach = 0.025mm/(1.5×25mm²) = 0,67°C/W. R_leadframe = 0.2mm/(385×25mm²) = 0,02°C/W. R_solder = 0.1mm/(50×25mm²) = 0,08°C/W. R_copper = 0.035mm/(385×25mm²) = 0,004°C/W. R_FR4 = 1.5mm/(0.3×25mm²) = 200°C/W (domina!). Série total: 200,9°C/W. Adicionando vias térmicas (20 vias, 0,3 mm de diâmetro, preenchidas com cobre): R_vias = 1.5mm/(385×20×π×0.15²mm²) = 0,55°C/W em paralelo com FR4. Combinado: 1/ (1/200 + 1/0,55) = 0,55° C/W — as vias reduzem a resistência térmica em 360 ×.

Dicas Práticas

  • ✓A condutividade térmica do FR4 (0,3 W/m·K) ) é 1000 × pior que a do cobre — sempre forneça um caminho direto do cobre por meio de vias térmicas ou da almofada exposta aos planos internos/inferiores do cobre.
  • ✓Térmica via matrizes: mínimo de 4 × 4 para melhoria significativa; 8 × 8 se aproxima da condutividade do plano de cobre. Por meio de broca de 0,3 mm, preenchida com cobre fornece o mínimo de R_th de acordo com o IPC-2221B
  • ✓Use placas de teste JEDEC 2s2p ou 1s0p para comparar o pacote θJA — os resultados no PCB real diferirão em 30-50% dependendo da cobertura de cobre

Erros Comuns

  • ✗Ignorando a resistência térmica da interface — as camadas de fixação, solda e TIM contribuem com um total de 0,5 a 5° C/W, comparável ou superior à resistência do material a granel
  • ✗Using 1D model for spreading resistance — heat spreading from small die to large heatsink adds 20-50% to calculated R_th; use spreading resistance formula or FEA
  • ✗Supondo a geração uniforme de calor — pontos quentes com densidade de potência média de 2 × são comuns em ICs; o Tj local pode exceder a média em 10-20° C

Perguntas Frequentes

Resistência térmica R_th (°C/W ou K/W) é o aumento de temperatura por unidade de potência: ΔT = R_th × P. É análogo à resistência elétrica (V = I × R) . R_th = L/ (K×A) para condução através de uma placa de espessura L, condutividade k e área A. Menor R_th significa melhor transferência de calor. Valores típicos: 1 mm de cobre (385 W/m·K) at 1cm² = 0,026°C/W); 1mm FR4 (0,3 W/m·K) at 1cm² = 33°C/W).
Analogia direta: temperatura ↔ tensão, fluxo de calor ↔ corrente, resistência térmica ↔ resistência elétrica. As leis de Kirchhoff se aplicam: resistências em série se somam, resistências paralelas se combinam reciprocamente, o calor é conservado nos nós. Isso permite a simulação SPICE de redes térmicas — modele cada material como um resistor, fontes de calor como fontes de corrente, ambiente como fonte de tensão.
Condutividade do material (k): cobre = 385 W/m·K, alumínio = 205, silício = 150, solda = 50, graxa térmica = 1-5, FR4 = 0,3, ar = 0,026. Geometria: R_th ∝ L/A (mais espesso = pior, área maior = melhor). Interfaces: a rugosidade da superfície e a pressão de contato afetam a resistência de contato térmico (0,1-1° C/W típico). Espalhamento: a propagação do calor de uma fonte pequena para uma pia grande aumenta a resistência.
Série: o calor flui sequencialmente através de camadas empilhadas (matriz → anexar → embalagem → TIM → dissipador de calor). Paralelo: o calor tem vários caminhos simultâneos (vias térmicas em paralelo com o FR4, convecção em paralelo com a condução). Os sistemas reais combinam os dois: calculam a resistência em série por caminho e combinam caminhos paralelos. Para geometrias complexas, use a simulação FEA (ANSYS, COMSOL).

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