Микросхема с открытой тепловой площадкой — QFN, PowerPAD, корпуса стабилизаторов и драйверов — отдаёт основную часть тепла не через пластмассу корпуса, а через площадку в печатную плату. Поэтому температура кристалла зависит от того, сколько меди вокруг, как она соединена переходными отверстиями и какой площади плата. Калькулятор оценивает это по упрощённой резисторной модели из руководства Texas Instruments SNVA419C. Подробно о модели и правилах разводки — в статье «Тепловой режим печатной платы».
Нужное θJA
Тепловое сопротивление «кристалл — воздух», которое должна обеспечить плата, считают по мощности и допустимому перегреву:
Пример TI: стабилизатор 2,5 В, 4 А с КПД 91,4 % рассеивает 0,94 Вт; при воздухе 50 °C и допустимых 90 °C на кристалле нужно θJA не больше 42,5 °C/Вт. Корпус SOT-23 с θJA около 179 °C/Вт этого не обеспечит.
Площадь платы
Тепло растекается по меди и уходит в воздух с обеих сторон платы. По правилу TI для двусторонней платы со сплошной медью с обеих сторон, без обдува и радиатора:
θJC — сопротивление «кристалл — тепловая площадка» из даташита. Если θJC не меньше нужного θJA, никакая площадь не поможет: нужен корпус с площадкой или радиатор. В примере TI корпус eMSOP-14 с θJC 7,3 °C/Вт требует около 2,2 дюйм² (14,2 см²), TO-PMOD-7 с θJC 1,9 °C/Вт — 1,91 дюйм².
Правило предполагает, что корпус прибора не мешает конвекции, а медь соединена с тепловой площадкой и доходит до краёв платы. Обдув, по оценке TI, сокращает нужную площадь до двух раз, а четырёхслойная плата, у которой внутренние слои земли тоже разносят тепло к краям, работает до 30 % лучше даже хорошо разведённой двухслойной.
Теплоотводные отверстия
Тепло проходит с площадки на обратную сторону и во внутренние слои по стенкам переходных отверстий. Тепловое сопротивление одного отверстия — как у медной трубки длиной в толщину платы:
где λ меди — 4 Вт/(см·°C), r — радиус отверстия, t — толщина меди стенки, 0,0035 см на унцию. Отверстия массива работают параллельно, поэтому сопротивление делится на их число.
| Отверстие, плата 1,65 мм | θ одного, по SNVA419C |
|---|---|
| 12 мил (0,3 мм), медь 0,5 унции | 261 °C/Вт |
| 12 мил, медь 1 унция | около 140 °C/Вт |
| 8 мил (0,2 мм), заполнено медью | около 128 °C/Вт |
TI советует ставить под площадкой столько отверстий, сколько поместится, с шагом 1 мм, и соединять их со слоями земли сплошь, без тепловых барьеров. Заполнение отверстий медью уменьшает сопротивление, но, по оценке TI, может удвоить или утроить стоимость платы; металлизация 1 унция вместо 0,5 обходится дешевле. С ростом числа отверстий выигрыш убывает — по руководству SLMA002H для небольшого кристалла хватает 5–9.
Толщина меди
Медный слой проводит тепло вбок тем лучше, чем он толще: квадрат меди 1 унция имеет сопротивление 71,4 °C/Вт, 2 унции — 35,7 °C/Вт, — так считают и SNVA419C, и SLVA959B. Рекомендация TI: не тоньше 1 унции, 2 унции — если микросхема рассеивает больше 3 Вт, 4 унции — больше 6 Вт.
Оценка грубая: модель линейная, а конвекция и излучение зависят от температуры, формы корпуса и соседних деталей. Для точного расчёта TI советует моделирование методом конечных элементов. Радиатор на корпусе рассчитывает калькулятор радиатора, расстановку отверстий — статья о переходных отверстиях.
Частые вопросы
Какое тепловое сопротивление у одного переходного отверстия?
По расчёту TI в SNVA419C — около 261 °C/Вт у обычного отверстия 12 мил (0,3 мм) с медью стенок 0,5 унции в плате толщиной 1,65 мм. С металлизацией 1 унция — около 140 °C/Вт, у заполненного медью отверстия 8 мил — около 128 °C/Вт. Отверстия в массиве работают параллельно: 16 штук по 261 °C/Вт дают 16,3 °C/Вт.
Сколько площади платы нужно, чтобы рассеять 1 Вт?
По правилу TI для двусторонней платы со сплошной медью с обеих сторон, без обдува и радиатора, — не меньше 15,29 см² на ватт при перегреве около 40 °C. Точнее площадь считают по θJC корпуса: 500 °C·см²/Вт делят на разность нужного θJA и θJC. Обдув сокращает площадь примерно вдвое.
Почему θJA из даташита не подходит для моей платы?
θJA измеряют на стандартной плате JEDEC размером 3 × 4 дюйма, и оно почти целиком зависит от платы: основная часть тепла уходит через тепловую площадку в медь. TI советует сравнивать по θJA корпуса между собой, а для своей платы брать θJC из даташита и считать сопротивление платы отдельно — так, как это делает калькулятор.
Какую толщину меди выбрать для теплоотвода?
TI рекомендует для импульсных преобразователей медь не тоньше 1 унции (35 мкм), 2 унции — если микросхема рассеивает больше 3 Вт, и 4 унции — больше 6 Вт. В примере TI переход с 1 на 2 унции на плате 3 × 3 дюйма снизил θJA с 28,3 до 21,2 °C/Вт — на 25 %.
Источники
- Texas Instruments. AN-2020 Thermal Design By Insight, Not Hindsight (SNVA419C, revised April 2013) — разд. 2 — θJA = (TJ − TA) / PD, пример 2.1: 2,5 В, 4 А, КПД 91,4 %, PD = 0,94 Вт, TA = 50 °C, TJ = 90 °C → θJA = 42,5 °C/Вт; табл. 1 — медь 1 унция, квадрат 1 см: 71,4 °C/Вт, отверстие 12 мил с медью 0,5 унции в плате 0,165 см: 261 °C/Вт, FR-4 1 см² × 0,032 см: 13,9 °C/Вт, воздух с поверхности 1 см²: 1000 °C/Вт; правило 1 — двусторонняя плата со сплошной медью без обдува: не меньше 15,29 см² на ватт при перегреве 40 °C, площадь ≥ 500 °C·см²/Вт / (θJA − θJC), обдув сокращает площадь до двух раз, внутренние слои — до 30 %; пример 3.1.1: θJC 7,3 → 2,2 дюйм², 1,9 → 1,91 дюйм², около 100 — недостижимо (эталоны тестов); правило 2 — формула отверстия, λ меди 4 Вт/(см·°C), медь 0,0035 см на унцию, шаг массива 1 мм, 16 отверстий — 16,3 °C/Вт, заполненное 8 мил — 128 °C/Вт, 12 мил с медью 1 унция — 140 °C/Вт; правило 3 — медь не тоньше 1 унции, 2 унции выше 3 Вт, 4 унции выше 6 Вт, плата 3 × 3 дюйма с медью 2 унции вместо 1 — θJA 21,2 вместо 28,3 °C/Вт; правило 4 — разрез поперёк потока тепла: +5,5 °C, вдоль: +1,5 °C
- Texas Instruments. Best Practices for Board Layout of Motor Drivers (SLVA959B, revised October 2021) — формула 3 — тепловое сопротивление медного слоя 1 см × 1 см толщиной 0,007 см: 35,7 °C/Вт (второй источник тестов), вдвое толще медь — вдвое меньше; разд. 2.4 — теплоотводные отверстия без тепловых барьеров
- Texas Instruments. PowerPAD Thermally Enhanced Package (SLMA002H, revised July 2018) — разд. 2.4 — с ростом числа теплоотводных отверстий выигрыш убывает, для небольшого кристалла хватает 5–9; рекомендации даташита конкретной микросхемы приоритетны
Где пригодится
Встроить калькулятор на свой сайт
Скопируйте код и вставьте его в HTML страницы, статьи или вики. Виджет бесплатный, без рекламы, счётчиков и cookie. Условие одно — ссылка на GAW под рамкой остаётся на месте. Подробнее о виджетах
<iframe src="https://gaw.ru/embed/pcb-thermal/" title="Тепловой расчёт печатной платы под микросхемой" width="100%" height="640" style="border:1px solid #e3e5e9;border-radius:8px" loading="lazy" allow="clipboard-write"></iframe>
<p style="margin:6px 0 0;font-size:14px">Калькулятор: <a href="https://gaw.ru/tools/pcb-thermal/">Тепловой расчёт печатной платы под микросхемой</a> — GAW.ru</p>Автоподстройка высоты рамки
Если сайт разрешает скрипты, добавьте этот код один раз в любом месте страницы: рамка будет менять высоту вместе с результатом расчёта.
<script>window.addEventListener("message",function(e){if(e.origin!=="https://gaw.ru"||!e.data||e.data.type!=="gaw:embed-height")return;var f=document.querySelectorAll('iframe[src^="https://gaw.ru/embed/"]');for(var i=0;i<f.length;i++)if(f[i].contentWindow===e.source)f[i].style.height=e.data.height+"px"})</script>Обновлено .
Нашли ошибку в расчёте?