Перейти к содержанию

Тепловой расчёт печатной платы под микросхемой

Задайте мощность, которую рассеивает микросхема, температуру воздуха, допустимую температуру кристалла и θJC из даташита — калькулятор посчитает по методике Texas Instruments, какое θJA нужно, сколько площади платы понадобится без радиатора и обдува, каково тепловое сопротивление массива теплоотводных отверстий и какая толщина меди нужна.

Исходные данные

Вт
°C/Вт

кристалл — тепловая площадка

°C
°C

с запасом до предела из даташита

мм
мм

Результат

Площадь платы
не меньше 14,2 см² (2,2 дюйм²)
квадрат 3,77 × 3,77 см; двусторонняя, сплошная медь с обеих сторон, без обдува
Нужное θJA
42,55 °C/Вт(TJ − TA) / P
Массив отверстий
16,1 °C/Втперепад 15,1 °C при 0,94 Вт; одно отверстие — 258 °C/Вт
Медь
не тоньше 1 унц. (35 мкм)рекомендация TI для такой мощности

Оценка по правилу TI для открытой платы в неподвижном воздухе: корпус прибора не должен мешать конвекции с обеих сторон платы. Обдув может уменьшить площадь примерно вдвое. Тепло должно растекаться до краёв платы по сплошной меди, без разрезов поперёк потока тепла.

Расчёт выполнен по формулам и данным из источников, приведённых на этой странице, и не заменяет проверку: параметры компонентов у разных производителей и даже партий различаются. Перед применением сверяйте результат с документацией на конкретные детали.

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:

θJA=TJ−TAPD.\theta_{JA} = \frac{T_J - T_A}{P_D}.

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:

Sплаты≥500 ∘C⋅см2/ВтθJA−θJC.S_\text{платы} \ge \frac{500\ ^\circ\text{C}\cdot\text{см}^2/\text{Вт}}{\theta_{JA} - \theta_{JC}}.

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:

θотв=LλCu π(r2−(r−t)2),\theta_\text{отв} = \frac{L}{\lambda_{Cu}\,\pi\left(r^2 - (r - t)^2\right)},

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 ммθ одного, по SNVA419C
12 мил (0,3 мм), медь 0,5 унции261 °C/Вт
12 мил, медь 1 унцияоколо 140 °C/Вт
8 мил (0,2 мм), заполнено медьюоколо 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

  1. 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
  2. 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
  3. 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?