Как работает расчёт теплового сопротивления via
Тепловое переходное отверстие (thermal via) — это металлизированное отверстие в печатной плате, по медной стенке которого тепло стекает с верхнего слоя на нижний. Под мощными корпусами (DPAK, D2PAK, QFN с тепловой площадкой снизу) одиночное отверстие практически ничего не решает, поэтому под площадку ставят массив из десятков via. Калькулятор оценивает тепловое сопротивление θ (в °C/Вт), которое такой массив создаёт между верхней и нижней сторонами платы: насколько нагреется верхний слой относительно нижнего медного полигона при заданной рассеиваемой мощности. Это ключевое звено в тепловой цепи от кристалла до радиатора.
θ_via = L / (k · A) A = π · t · (d − t) k(медь) = 385 Вт/(м·К)
Массив: θ = θ_via / N (via параллельны по теплу)
Тепло переносит только тонкое медное кольцо в стенке отверстия, а не воздух или флюс внутри него. Поэтому в площадь A входит не всё сечение сверла, а лишь это кольцо: A = π · t · (d − t), где t — толщина металлизации стенки, d — диаметр отверстия. Сопротивление одного via прямо пропорционально длине пути L (толщине платы) и обратно пропорционально площади меди и её теплопроводности k = 385 Вт/(м·К). Чем толще плата — тем длиннее путь и выше θ; чем толще металлизация и крупнее отверстие — тем меди больше и θ ниже.
Почему одно via не спасает, а массив — работает
Тепловое сопротивление одиночного via измеряется сотнями °C/Вт — само по себе оно бесполезно, при рассеянии даже долей ватта перегрев вышел бы за все пределы. Спасает то, что via в массиве соединены параллельно по теплу: их тепловые проводимости складываются, а суммарное сопротивление падает в N раз — θ = θ_via / N. Шестнадцать отверстий отводят тепло в шестнадцать раз эффективнее одного. Отсюда практическое правило разводки: под тепловой площадкой размещают решётку 3×3, 4×4 или плотнее, с шагом 1–1,2 мм, стараясь не оставлять свободного поля площадки.
Оценка сознательно консервативна. Она не учитывает теплоотвод по самим медным слоям вокруг отверстий, а также заполнение via теплопроводным компаундом или гальванической медью (via-in-pad, filled via) — с заполнением реальное θ получается ещё ниже расчётного. Не входит в модель и растекание тепла по нижнему полигону с последующим переходом в радиатор — эти сопротивления считают отдельными звеньями цепи. Поэтому цифру калькулятора трактуют как «верхнюю границу» сопротивления собственно массива.
Единицы, геометрия и типовые ошибки
Диаметр d и толщину платы L задают в миллиметрах, толщину меди стенки t — в микрометрах. Типовая металлизация стенки составляет 20–35 мкм (чаще около 25 мкм) — это самостоятельная величина, не путать с толщиной меди слоёв, которую удобно пересчитать через калькулятор oz↔мкм. Число via N — целое ≥ 1. Самая частая ошибка — перепутать единицы t и ввести миллиметры вместо микрометров: тогда «кольцо» окажется толще радиуса отверстия, и калькулятор об этом предупредит. Вторая ошибка — брать за площадь всё сечение π·d²/4: сплошь заполненное медью via встречается редко, обычно внутри пусто, и реальную площадь даёт именно кольцо. Результат зависит от диаметра и толщины стенки нелинейно, поэтому мелкие via 0,2 мм заметно проигрывают крупным 0,3–0,5 мм при одинаковой металлизации.
Отдельная развилка — что делать с отверстием под площадкой. Открытое via под pad-ом уводит припой в ствол и обедняет паяное соединение, поэтому его либо закрывают маской (tenting) с обратной стороны, либо заполняют смолой и покрывают медью (via-in-pad, plugged). Заполнение выгодно и по теплу: полностью залитый медью ствол увеличивает эффективную площадь A в разы, и настоящее θ уходит заметно ниже расчётной оценки по одному кольцу. На практике важнее не гнаться за экстремально тонким шагом, а покрыть массивом всю площадь тепловой площадки: пустые углы площадки работают как тепловой тупик.
Ориентир: θ массива по числу via
Для геометрии по умолчанию (via ⌀0,3 мм, стенка 25 мкм, плата 1,6 мм) одно отверстие даёт θ_via ≈ 192 °C/Вт. Массив просто делит эту величину на число via — перегрев при 1 Вт численно равен θ:
| Число via N | θ массива, °C/Вт | Перегрев при 1 Вт |
| 1 | 192,4 | 192 °C |
| 4 (2×2) | 48,1 | 48 °C |
| 9 (3×3) | 21,4 | 21 °C |
| 16 (4×4) | 12,0 | 12 °C |
| 25 (5×5) | 7,7 | 7,7 °C |
| 36 (6×6) | 5,3 | 5,3 °C |
Из таблицы видна отдача массива: переход от 9 до 16 via снижает θ почти вдвое, а вот от 25 к 36 — уже слабее, при этом места на плате уходит больше. Обычно ориентируются на допустимый перепад: если бюджет по нагреву верхнего слоя над полигоном заложен в 10–15 °C на ватт, решётки 4×4 хватает, а для 2–3 Вт под корпусом переходят к 5×5 и плотнее либо увеличивают диаметр отверстий. Полезно помнить, что перегрев масштабируется линейно с мощностью: при 2 Вт цифры из последнего столбца удваиваются.
Где применяют — и где не годится
Массивы thermal via — обязательный приём при разводке импульсных преобразователей, драйверов, силовых ключей (см. потери MOSFET) и LED-матриц: рассчитанное θ входит в тепловую цепь «кристалл → корпус → плата → радиатор», по которой оценивают температуру кристалла Tj. Дальше по цепочке идут переход через тепловую прокладку и сам радиатор, подобрать который помогает калькулятор подбора радиатора. Расчёт не годится, если нижний слой не имеет крупного медного полигона или тепло некуда сбрасывать: тогда via упираются в изолированный пятачок и θ всей системы определяют уже не они. Не применяйте формулу и для оценки токовой нагрузки отверстия — для электрического тока через via есть отдельный расчёт.
Ещё одно важное ограничение — эта θ описывает только участок «верхний слой ↔ нижний слой» и не заменяет полное тепловое сопротивление корпус–среда (θ_JA) из даташита. Массив via снижает вклад платы в общую цепь, но если нижний полигон мал или радиатор недостаточен, узким местом станет уже теплоотвод в воздух, а не отверстия. Поэтому расчёт via имеет смысл вести вместе с оценкой площади меди нижнего слоя и параметров радиатора: только цепь целиком показывает, дотянет ли конструкция до нужной температуры кристалла при заданной мощности рассеяния и температуре окружающей среды.
Пример
На значениях по умолчанию — via ⌀0,3 мм, медь стенки 25 мкм, плата 1,6 мм, N = 16 — считаем по шагам. Площадь кольца: A = π · 25·10⁻⁶ · (0,3·10⁻³ − 25·10⁻⁶) = 2,16·10⁻⁸ м². Сопротивление одного via: θ_via = 1,6·10⁻³ / (385 · 2,16·10⁻⁸) = 192,4 °C/Вт. Массив из 16 штук: θ = 192,4 / 16 = 12,03 °C/Вт. При рассеянии 1 Вт перепад температуры верх–низ составит ≈ 12 °C — ровно столько показывает виджет.
См. также: температура кристалла Tj · радиатор · тепловая прокладка · ток через via · все калькуляторы
|
