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Thermal

Calculadora térmica Via Array

Calcule a resistência térmica de um PCB térmico via matriz para propagação de calor de pacotes SMD para planos internos de cobre ou dissipadores de calor.

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Fórmula

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— Resistência térmica (°C/W)
L— Espessura do PCB (via comprimento) (m)
k_Cu— Condutividade térmica do barril de cobre (385 W/m·K) (W/m·K)
k— Condutividade térmica do preenchimento (W/m·K)
A_ring— Seção do barril metalizado, π(r² − (r − t)²) (m²)
A_core— Seção do furo dentro do revestimento, π(r − t)² (m²)
f— Fração de preenchimento
N— Número de vias

Como Funciona

A calculadora térmica via matriz calcula a resistência térmica vertical do PCB para extração de calor de dispositivos de alimentação montados na superfície — essencial para o design da almofada térmica QFN, gerenciamento térmico de PCB de LED e resfriamento de componentes SMD de alta potência. Projetistas de PCB, engenheiros térmicos e projetistas de eletrônica de potência usam matrizes para contornar a baixa condutividade térmica do FR4 (0,3 W/m·K vs. cobre a 385 W/m·K). De acordo com a IPC-2221B, uma única via de 0,3 mm de diâmetro revestida com cobre (parede de 25μm) através de FR4 de 1,6 mm tem R_th ≈ 192°C/W; vias preenchidas com cobre atingem R_th ≈ 59°C/W. Vias paralelas reduzem a resistência total: N vias fornecem R_total = R_single/N. Um conjunto 5×5 de vias preenchidas com cobre atinge R_th ≈ 2,4°C/W, aproximando-se do desempenho do cobre sólido. O passo da via deve ser ≥0,8 mm (centro a centro) para evitar problemas de fabricação de PCB.

Exemplo Resolvido

Design térmico via matriz para LED de 3 W em PCB FR4 de 1,6 mm de espessura com almofada térmica de 6 × 6 mm. Alvo: θSA < 10°C/W para manter a junção abaixo de 85°C em Ta = 50°C. Único via cálculo: dia = 0,3 mm, parede revestida = 25μm, condutividade de cobre = 385 W/m·K. Área anular = π×((0.15)² - (0.125)²) = 0.0216mm². R_via = 1.6mm/(385×0.0216mm²) = 192°C/W por via revestida. Para preenchimento com cobre: área = π×(0.15)² = 0.0707mm². R_via = 1.6mm/(385×0.0707mm²) = 59°C/W. Número necessário: N = 59/10 = 6 vias preenchidas com cobre, no mínimo, para almofada. Organize em uma matriz 3 × 3 (9 vias) em um passo de 2 mm dentro do bloco de 6 × 6 mm: R_total = 59/9 = 6,6° C/W. Isso excede o alvo, fornecendo 34% de margem. Com o lado inferior dissipador de calor (θSA_sink = 5°C/W), total θSA = 6.6 + 5 = 11,6°C/W. Tj = 50 + 3×11,6 = 84,8°C — dentro da meta de 85°C.

Dicas Práticas

  • ✓As vias preenchidas com cobre custam de 30 a 50% mais do que as vias revestidas padrão, mas oferecem um desempenho térmico de 2 a 3 vezes melhor — econômicas para potência de mais de 2 W por bloco
  • ✓O Via-in-Pad com planarização permite a colocação de componentes diretamente sobre as vias — essencial para designs de almofadas térmicas QFN e BGA de acordo com IPC-7095D
  • ✓Conecte-se via matriz aos planos internos de terra/potência — os planos fornecem dispersão lateral do calor, reduzindo o Effective θSA em 20-50% em comparação com os isolados via matriz

Erros Comuns

  • ✗O uso de vias somente revestidas em vez de revestidas (Vias (25μm Wall) tem uma resistência térmica 2-3 vezes maior do que as preenchidas com cobre; especifique vias preenchidas para aplicações térmicas
  • ✗Espaçar as vias muito estreitamente — via passo <0,8 mm causa risco de delaminação de PCB durante o refluxo; passo de 1 mm é recomendado de acordo com IPC-2221B para matrizes térmicas
  • ✗Ignorando a absorção de solda — vias não preenchidas podem absorver a solda da almofada térmica durante a montagem, criando vazios; use máscara de solda em tenda ou via almofada com revestimento de tampa

Perguntas Frequentes

Regra prática: mínimo de 4 vias para melhoria mensurável, 16-25 vias se aproximam do desempenho do cobre sólido. Para dimensionamento quantitativo: N = R_single_via / R_target. Um dispositivo de 1W direcionado a θ = 20°C/W precisa de ~ 3 vias preenchidas com cobre; um dispositivo de 10W direcionado a θ = 2°C/W precisa de ~ 30 vias. O IPC-2152 recomenda 1 via per 0.5-1mm² da área da almofada térmica.
Impacto mínimo — as vias circulares são padrão e equilibram de forma ideal o desempenho térmico versus o custo de fabricação. Um diâmetro maior melhora a resistência térmica (R ∝ 1/área), mas reduz o espaço de roteamento. Tamanhos padrão: 0,3 mm para sinal, 0,4-0,5 mm para alimentação, 0,2 mm para HDI. A proporção via (profundidade/diâmetro) deve ser < 10:1 para um revestimento confiável de acordo com o IPC-4761.
FR4:0,3-0,4 W/m·K (através do plano), 0,8-1,0 W/m·K (no plano devido à trama do vidro). Cobre: 385 W/m·K. Substrato de alumínio: 1-2 W/m·K para substrato metálico isolado (IMS) de acordo com Bergquist. PCB de núcleo metálico: 1-8 W/m·K para dielétrico, conectado a um suporte de alumínio sólido (205 W/m·K). Para LEDs de alta potência, IMS ou substratos cerâmicos (AlN: 170 W/m·K) são preferidos ao FR4).
O preenchimento com cobre é preferido para vias térmicas — preenche todo o cilindro com cobre, maximizando a área da seção transversal. Plated vias have hollow center (25-35μm wall thickness typical), reducing effective area by 60-80%. Diferença de custo: $0,001-0,005 por via. Para via-in-pad sob almofadas térmicas QFN, vias preenchidas e planarizadas são necessárias para evitar a absorção de solda de acordo com J-STD-001H.

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