Калькулятор тока переходного отверстия (via)

Ток/тепло via

Что считает калькулятор via

Переходное отверстие (via) — это металлизированный канал, который соединяет проводники разных слоёв печатной платы. Ток течёт по нему не сплошным цилиндром меди, а тонкой стенкой ствола: при производстве отверстие сверлят, а затем гальванически осаждают слой меди толщиной обычно 20–35 мкм. Именно эта стенка и определяет и допустимый ток, и сопротивление via. Калькулятор берёт четыре величины — диаметр отверстия, толщину меди в стволе, толщину платы (она же длина проводника) и допустимый нагрев — и выдаёт токонесущую способность одного via, ток для группы параллельных отверстий, сечение меди и сопротивление ствола.

Сечение меди A = π·((d/2 + t)² − (d/2)²) = π·t·(d + t)
I = k·ΔT⁰·⁴⁴·A[mil²]⁰·⁷²⁵    (k = 0,048, наружный слой по IPC-2221)
R_ствола = ρ·L / A    (ρ меди = 1,68·10⁻⁸ Ом·м)    N via: I ×N, R ÷N

Первая формула даёт площадь медного кольца — разность площадей внешнего и внутреннего кругов, что сводится к произведению π·t·(d + t). Дальше эта площадь работает ровно так же, как сечение обычной дорожки: via рассматривают как короткий проводник и оценивают его по тем же зависимостям, что и ширину дорожки по току и её сопротивление.

Токонесущая способность и IPC-2221

Стандарт IPC-2221 связывает ток, сечение меди и перегрев эмпирической формулой I = k·ΔT⁰·⁴⁴·A⁰·⁷²⁵. Площадь A здесь в квадратных милах (1 мм² ≈ 1550 mil²), а коэффициент k = 0,048 отвечает наружным слоям — консервативный выбор, потому что стенка via прогревается и охлаждается сложнее, чем открытая дорожка. Показатель степени 0,725 при площади означает, что ток растёт медленнее сечения: удвоив площадь меди, вы поднимете ток примерно в 1,65 раза, а не вдвое. Показатель 0,44 при ΔT говорит, что каждый дополнительный градус разрешённого перегрева добавляет ток всё скупее. Поэтому «в лоб» гнать ток через одно via невыгодно — гораздо эффективнее раскидать его на несколько отверстий.

Обратите внимание, от чего сечение зависит сильнее всего. В произведении π·t·(d + t) толщина меди t входит множителем, поэтому удвоение толщины стенки почти удваивает площадь, тогда как диаметр отверстия влияет слабее — прибавка идёт только по периметру. На практике это значит, что переход с медью 18 мкм (0,5 oz) на 35 мкм (1 oz) поднимает ток via ощутимее, чем рассверливание отверстия на пару десятых миллиметра. Толщину меди в стволе задаёт технолог по классу платы, и она редко превышает 25–35 мкм, поэтому главный рычаг у разработчика — именно число параллельных via, а не размер каждого. При этом слишком крупные отверстия «съедают» место под пятачки и мешают трассировке соседних дорожек.

Сопротивление ствола и параллельные via

Сопротивление считается по закону Ома для проводника R = ρ·L/A: длина L — это толщина платы, площадь A — то же медное кольцо. Для типового via сопротивление лежит в диапазоне единиц миллиом, поэтому одиночное отверстие в сигнальной цепи можно игнорировать, но в сильноточной шине питания падение напряжения и нагрев уже заметны. Когда N одинаковых via стоят параллельно, ток распределяется между ними, суммарная токонесущая способность растёт как ×N, а сопротивление падает как ÷N. Это тот же принцип, что и параллельное соединение резисторов: четыре via по 1 мОм дают 0,25 мОм. На высоких частотах добавляется скин-эффект — ток вытесняется к поверхности стенки, и при управлении импедансом via перестаёт быть «идеальной» точкой (см. импеданс дорожки).

Тепловые via и теплоотвод

Отдельная роль via — отводить тепло, а не ток. Под мощными корпусами (QFN, DPAK, D2PAK, светодиоды) массив тепловых via сбрасывает тепло с верхнего полигона на внутренние и нижний медные слои, а оттуда — на радиатор или большую площадь меди. Здесь важна не токонесущая способность, а тепловое сопротивление, и оно тем ниже, чем больше отверстий, чем толще стенка и чем больше медь на слоях. Заполнение via припоем или эпоксидом с металлом ещё улучшает теплопередачу. Типовое решение под теплоотводящей площадкой QFN — сетка из девяти-двадцати пяти отверстий диаметром 0,3 мм с шагом 1–1,2 мм; каждое из них добавляет параллельный путь для тепла и, если через него ещё и идёт ток питания, работает по формулам этого калькулятора. Важно, чтобы via не «утекали» припой из-под корпуса при пайке: открытые в паяльную маску тепловые via лучше уменьшать в диаметре, закрывать маской или заполнять. Для расчёта именно тепловой сетки удобнее специализированный калькулятор тепловых via, а связку «кристалл — плата — радиатор» замыкают температура кристалла и расчёт радиатора.

Типовые via: ток и сопротивление

Значения для медной стенки 25 мкм (1 mil), платы 1,6 мм и перегрева ΔT = 10 °C. Столбец «4 via» показывает суммарный ток четырёх параллельных отверстий.

Где применяют — и где не годится

Расчёт нужен при разводке шин питания, силовых ключей и DC-DC преобразователей, где через via идут амперы, а также при проектировании тепловых массивов под греющимися компонентами. Он же подсказывает, сколько отверстий поставить, чтобы не перегреть медь. Помните про запас: формула IPC-2221 консервативна, но исходит из установившегося режима на воздухе, без учёта соседних источников тепла, лака и заливки. Для очень коротких импульсов допустим кратковременный перегруз, для плотных сборок — наоборот, берите запас. Модель не заменяет проверку зазоров между via и медью (см. зазор по напряжению и контактное кольцо) и не учитывает толщину меди слоёв в унциях — она считает только стенку ствола. Не забывайте и о технологических ограничениях завода: минимальный диаметр сверла, соотношение толщины платы к диаметру отверстия (аспектное отношение, обычно не более 8:1 для сквозной металлизации) и минимальное контактное кольцо задаёт производитель, и слишком узкое или глубокое via попросту не удастся качественно металлизировать. Поэтому окончательный выбор диаметра и числа via всегда сверяют с техническими нормами конкретного изготовителя плат, а расчёт тока и сопротивления служит отправной точкой, а не последним словом.

Пример

На значениях по умолчанию (d = 0,3 мм, медь 25 мкм, плата 1,6 мм, ΔT = 10 °C, N = 1) сечение медной стенки A = π·25 мкм·(0,3 мм + 25 мкм) ≈ 39,6 mil² (0,0255 мм²). Ток одного via I = 0,048·10⁰·⁴⁴·39,6⁰·⁷²⁵ ≈ 1,90 А. Сопротивление ствола R = 1,68·10⁻⁸·0,0016 / 2,55·10⁻⁸ ≈ 1,05 мОм. Четыре таких via параллельно дают ток ≈ 7,61 А и сопротивление ≈ 0,26 мОм.

См. также: ширина дорожки по току · сопротивление дорожки · тепловые via · импеданс дорожки · зазор по напряжению · все калькуляторы

Какой ток выдерживает переходное отверстие (via)?

Допустимый ток via считается по IPC-2221 как для проводника с площадью сечения, равной площади медного кольца ствола отверстия. Калькулятор учитывает диаметр, толщину меди и допустимый перегрев, а также параллельное соединение нескольких via.

Как увеличить токовую нагрузку через via?

Ставят несколько переходных отверстий параллельно (via stitching) — ток делится между ними, а суммарное сопротивление падает. Также помогает увеличение диаметра отверстия и толщины меди в стволе.