技術ガイド2026年4月22日• 10 min 読む
高温コンポーネントの下でサーマル ビアを使用する場合
要点
パッケージに露出パッドまたは集中した熱源が含まれており、上層の銅だけでは熱をより大きな内部または底の銅に移動できない場合は、高温のコンポーネントの下にサーマル ビアを使用します。通常、レギュレータ、パワー QFN、LED、モーター ドライバ、およびコンパクト MOSFET ステージでは、局所損失が約 1 W ～ 2 W を超える場合、それらを追加する価値がありますが、はんだウィッキング、ビア充填コスト、絶縁間隔、またはアセンブリ歩留まりがより大きな制約となる場合は、慎重に検討する必要があります。
重要ポイント
- •サーマル ビアは、ボードの上面に十分な銅とエアフローがある場合ではなく、小さなパッド領域に熱が閉じ込められる場合に最も価値があります。
- •露出パッド パッケージ、LED サーマル パッド、DC/DC コントローラー、リニア レギュレーター、コンパクト MOSFET ステージは、ビア アレイが効果を発揮する最も一般的なケースです。
- •はんだ付け可能なパッドに直接ビアをオープンすると、アセンブリの歩留まりが低下する可能性があります。多くの場合、テント付きビア、プラグ付きビア、または充填ビアが、より安全な製造上の選択肢となります。
- •サーマル ビア アレイのサイズは、銅領域、底面の広がり、シャーシまたはエアフローへの実際の熱経路を考慮して決定する必要があります。
小型パッケージのパッドが最上層だけで拡散できる以上の熱を放出しようとする場合は、高温のコンポーネントの下にサーマル ビアを使用します。実際には局所的な熱密度が高く、その熱を受け取るために内層または最下層に意味のある銅があるエクスポーズドパッドレギュレータ、QFN、LED、MOSFET、 コンパクトパワーモジュールの下で最も役立ちます。上面にすでに十分な銅、エアフロー、または直接ヒートシンク パスがある場合、ビアを増やすと複雑さが増す可能性がありますが、あまりメリットはありません。
最も速いエンジニアリング ワークフローは、局所損失、利用可能な銅面積、および組み立て方法の 3 つの項目を一緒にチェックすることです。まず、電流パスのトレース幅計算ツール、共有ビアのボトルネックの場合はビア電流計算ツール、同じ銅パスにも意味のある電流が流れる場合は電流容量計算ツールを使用します。
熱が小さなパッドに集中する場合はサーマル ビアを使用する
重要な問題は、コンポーネントが温かく動作するかどうかではありません。本当の問題は、上層の拡散面積が少なすぎる小さな設置面積に熱が閉じ込められるかどうかです。シャーシ マウントを備えた大型の TO-220 ではパッドの下にビアがまったく必要ない場合がありますが、小型の QFN 降圧レギュレータでは熱のほとんどが 1 つの露出したサーマル パドルから排出されるため、すぐにメリットが得られます。
サーマル ビアは、集中した熱源を実際に役立つ銅に接続するときに最も効果的です。内部プレーン、底部の銅フラッド、金属で裏打ちされた領域、または二次ヒートシンク インターフェイスです。受信層が分割プレーン、クリアランス制約、または密な配線によって切り刻まれている場合、ビアフィールドには熱を送信するのに役立つ場所がありません。
この決定が、サーマルビアと信号ビアの計画および内部層対外部層の戦略と同じ検討に属する理由です。ビアアレイは魔法のような解決法ではありません。これは、より大きな熱拡散経路の一部です。
直接の推奨事項: パッケージに露出パッドがある場合、サーマル ビアを追加します。サーマル ビアを追加しないと、製品は上部の小さな銅アイランドに依存して、およそ 1 W ～ 2 W 以上の局所熱を除去します。
意思決定マトリックス: サーマルビアが価値がある場合
| コンポーネントの状況 | サーマルビアを使用しますか? | 良い出発点 | 主な注意事項 |
|---|---|---|---|
| 露出パッド付きの QFN または DFN レギュレータ、約 1W ～ 3W のローカル損失 | 通常ははい | パッドの下にある 4 ～ 9 個のビアが内側と底部の銅に接続されています | プラグ接続、充填、または慎重にテントを張ったビアによるはんだの染み出しを防止 |
| FR-4基板上の高輝度LED | 通常ははい | 背面の銅または金属インターフェースへの熱スラグの下の高密度ビアフィールド | 底面には依然として実際の拡散領域またはシャーシの結合が必要です |
| 強力な上下注入を備えたパワー MOSFET ステージ | 多くの場合、そうです | 一隅だけでなく、サーマルパッドと電流ループの近くにもビアを使用します。 | アレイ周辺に現在のボトルネックや長いネックダウンを生じさせないでください。 |
| リニアレギュレータの消費電力はオープンエアフローで約 0.5W 未満です | 必要ない場合も多い | まずはより大きな上部銅を試してください | 追加のビアによりコストが増加する可能性がありますが、測定可能な利益はほとんどありません |
| モジュールは上面からヒートシンクまたはシャーシにすでに接着されています | たぶん | PCB が意図した熱経路の一部である場合にのみビアを使用します。 | 主要なパスが他の場所にある場合、ビアを増やすと役立つとは考えないでください |
| 絶縁に敏感なパッド、または厳しい沿面規則を備えた高電圧パッド | ケースバイケース | アレイを追加する前に安全間隔を確認してください | 熱利得はクリアランスまたは沿面距離の違反を正当化しない |
このマトリックスは意図的に実用的です。サーマル ビア アレイは習慣ではなく、熱密度と実際の下流の熱経路によって正当化されます。
最適な候補: レギュレータ、LED、ドライバ、および高密度パワーステージ
これらは、エンジニアが熱と電気の両方のレビューを同時に必要とすることが多い設計でもあります。 MOSFET またはレギュレータ パッドの下にある同じ銅が、熱拡散、電流伝達、およびリターン パス制御を同時に処理している可能性があります。そのため、サイジング ガイドと IPC-2152 温度上昇の例が参考として役立ちます。
- エクスポーズド パッドを備えた降圧、昇圧、および LDO レギュレータ: これらのパッケージは多くの場合、ほとんどの熱が中央パッドを経由するため、ボードがコンパクトな場合、そのパッドの下にあるビアによってジャンクション温度を大幅に下げることができます。
- モーター ドライバーおよびゲート ドライバー IC: これらのデバイスは、スイッチング損失、伝導損失、および限られた設置面積を兼ね備えているため、露出パッドが自然な熱の出口となります。
- 高出力 LED: LED の寿命はジャンクション温度と強く関係しています。 PCB がサーマル チェーンの一部である場合、通常はスラグの下にビアを設けるのが標準的な方法です。
- コンパクトな MOSFET とパワーステージのレイアウト: デバイス近くの銅エリアがループ インダクタンス ターゲットによって制約されている場合、サーマル ビアは上面の配線を長くすることなく熱を下に移動させることができます。
- 標準 FR-4 のパワー モジュール: モジュール パッドが放散に比べて小さい場合、ビアは、重い銅や外部ヒートシンクに飛びつく前に、より多くの基板領域に熱を拡散するのに役立ちます。
サーマルビアが最初の解決策として間違っている場合
設計チームは、サーマルビアはスケッチが簡単であるため、サーマルビアに飛びつくことがよくあります。しかし、熱経路が空気の流れの悪さ、密閉されたエンクロージャの壁、または他の場所の小さすぎる銅ネックダウンによって支配されている場合、ビア アレイは実際の制限を解決することはできません。
「サーマル ビアは強力なツールですが、ボードに熱を送るのに便利な場所が確保されてからに限ります。熱デッドエンドに 20 個のビアを配置するよりも、固体銅に適切に配置された 6 個のビアの方が望ましいと考えています。」
容易な銅の領域を拡大する前にビアを追加する基板に、より大きな上部注入の余地がまだある場合は、パッド内ビアの処理よりも安価に熱マージンを獲得できる可能性があります。
銅を受け取ることのないサーマル ビアを使用する 断片化した銅や部品の下の狭いトレースにビア フィールドが配置されていると、熱を効果的に移動させることができません。
アセンブリの歩留まりを無視する はんだ付け可能なパッドのオープンビアは、はんだを盗んで QFN を傾けたり、ボイド制御を低下させたりする可能性があります。
工場の快適ゾーンを超えた小さなドリルの使用。 積極的なアレイは、サプライヤーが一貫して許容可能なコストでそれを構築できる場合にのみ役立ちます。
本当の熱ボトルネックを忘れています。 場合によっては、最もホットなポイントは、IC パッド自体ではなく、インダクタ、コネクタ、シャント、またはエンクロージャ インターフェイスであることがあります。
高温コンポーネント下のサーマルビアのレイアウトチェックリスト
| チェックポイント | 何が良いのか | 赤旗 |
|---|---|---|
| パッケージの熱経路 | データシートには、露出したパッドまたはスラグが主な熱出口として示されています | パッケージは主に他の場所で冷却されますが、サーマルビアが追加されています |
| 銅の受け取り | 内側または最下層は、部品の下に意味のある銅領域を提供します | 拡散価値がほとんどないカットアップ銅のビアランド |
| プロセス経由 | オープン、テント付き、プラグ付き、または充填済みの選択肢は、組み立てのリスクに合わせて選択できます | ファブやアセンブラーにビアの仕上がりを確認した人は誰もいません |
| ピッチとドリル | アレイはパッドの形状とサプライヤーの製造可能なドリルルールに適合します | アレイが高密度であるため、アニュラー リング、マスク、または歩留まりが限界になります |
| 電流パスの相互作用 | アレイ周囲の銅は引き続き電流と戻りの流れをきれいにサポートします | アレイによりネックダウンが狭くなったり、カレントの迂回が困難になったりする |
| 熱検証 | チームにはターゲットのジャンクション、ケース、またはボードの温度マージンがある | 測定または推定の目標を設定せずに追加されたサーマルビア |
エンジニアとバイヤーに推奨される開始ルール
- まずパッケージの熱ガイドを読み、露出パッドが主な熱経路であるかどうかを確認してください。
- 局所的な散逸を推定し、許容される温度上昇の範囲内で上部の銅だけで散逸を拡散できるかどうかを検討します。
- そうでない場合は、多くの小型パワー パッドに対して約 0.8 mm ～ 1.2 mm のピッチでおよそ 4 ～ 9 個のビアの初期アレイを追加し、パッケージ サイズと製造ルールに基づいてスケールします。
- アセンブリボリュームと歩留まり目標に基づいて、パッドにオープンビア、テントビア、プラグビア、またはフィルビアが必要かどうかを早期に決定します。
- 特に部品が大電流も処理する場合は、同じ領域に現在のボトルネックがないか確認してください。
- 熱電対または IR と電気負荷を使用して 1 つのプロトタイプを測定し、実際のデータからアレイ、銅線エリア、またはアセンブリ仕様を調整します。
- → 銅線パスのサイジングのための配線幅計算ツール
- → 共有電気ビアおよび熱ビアのビア電流計算ツール
- → はんだ付け性のトレードオフを計算するサーマル リリーフ カリキュレーター
- → 番手、ドリル、ピッチを選択するためのサイジングガイドによる
- → 設計意図のためのサーマルビアと信号ビアのガイド
最も実用的な PCB プログラムの場合、このトピックの背後にある検索意図は単純です。コンポーネントの下のサーマル ビア アレイが実際に役立つのはどのような場合ですか?答えは、パッケージが熱を小さなパッドに押し込むと、基板がその熱を他の銅に拡散することができ、アセンブリ方法が歩留まりを損なうことなくビア構造をサポートできることです。
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関連ツール・リソース
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クイックFAQ
コンポーネントの下のサーマル ビアはどの電力レベルで考慮すべきですか?
実際的な開始点は、特にパッケージに露出パッドがあり、ボードの最上層のみで熱を十分に拡散できない場合、コンパクトなパッケージでの局所放散は約 1W ～ 2W です。密閉された製品または高周囲環境の設計では、しきい値が低くなる可能性があります。
サーマルビアは常にコンポーネントの温度を下げますか?
いいえ。熱源を有用な銅領域または別の冷却経路に接続する場合にのみ役に立ちます。底面が密集している、孤立している、または熱的に遮断されている場合、ビアの数を増やすと、意味のある温度低下が起こらずにコストが増加する可能性があります。
サーマルビアはオープンにするか、テントを張るか、プラグを差し込むか、または充填する必要がありますか?
はんだ付け可能なパッドの場合、プラグまたは充填されたビアは、はんだの吸い上げを軽減するため、通常はより安全です。オープンビアはプロトタイプや一部の重要ではないアセンブリには機能しますが、歩留まりのリスクが高まります。テント付きビアは、製造者がマスクを確実に保持できる場合、負荷が軽い場合に役立ちます。
ホットパッドの下にサーマルビアをいくつから始めるべきですか?
多くの QFN レギュレーターとドライバーの場合、最初のパスは露出パッド領域内の約 0.8 mm ～ 1.2 mm ピッチで 4 ～ 9 個のビアであり、その後、パッケージ サイズ、ドリル制限、銅線面積、および測定された熱マージンから調整します。
パッド内のサーマルビアを承認する前に、購入者は PCB サプライヤーに何を確認する必要がありますか?
完成したドリルのサイズ、アスペクト比、プラグ接続または充填プロセス、平坦化、はんだマスク機能、追加のコストやリードタイムを確認します。サーマルビア戦略は、レイアウトの決定だけでなく、部分的には製造上の決定でもあります。
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