基板設計

サーマルビアの設計|放熱パッドからどう熱を逃がすか

サーマルビアの設計。放熱パッドからどう熱を逃がすか

※本記事にはプロモーション(広告)が含まれています。

こんな経験はありませんか?
  • パワーICのデータシートに「放熱パッドの下にサーマルビアを配置」と書いてあるが、何本必要かわからない
  • とりあえずビアを9本並べてみたが、本当に足りているか不安
  • ビア径やピッチをどう決めればいいか、誰も教えてくれない
  • 試作したらICが熱保護でシャットダウンした。サーマルビアが原因か判断できない
○ この記事でわかること
  • サーマルビアの本当の役割(電気じゃなくて「熱の通り道」)
  • 本数・ビア径・ピッチの決め方の目安
  • 内層GNDプレーンとの正しい接続方法
  • 「ビアを増やせばOK」が通用しない理由

前回の記事では「大電流基板で避けるべき設計ミス5選」を扱いました。その中で「ビアの本数不足で焼損」という話が出てきましたね。

今回扱う サーマルビア は、それと似ているようで、目的がまったく違います。
普通のビアは「電気を流す」のが仕事ですが、サーマルビアの仕事は「熱を逃がす」こと。同じ「ビア」でも、設計の考え方が変わります。

この記事では、ICの放熱パッドからの熱をどう内層GNDへ逃がすか、その設計のコツを「家の換気口」のたとえで完全図解していきます。

そもそもサーマルビアって何?=「熱の通り道」

サーマルビアとは、文字通り 「熱(thermal)を逃がすためのビア」 です。ICの裏側にある放熱パッド(=ICの中で発生した熱を基板に逃がすための金属露出面)と、内層や裏面のGNDプレーンを銅で繋ぎ、熱の通り道を作るのが役割です。

普通のビア

目的:電気を流す

設計指標:電流容量[A]

本数:電流に応じて

サーマルビア

目的:熱を逃がす

設計指標:熱抵抗[℃/W]

本数:発熱量に応じて

「家の換気口」をイメージしてください

夏場、エアコンのない部屋で料理をすると、室温がどんどん上がりますよね。窓を開けて換気口を作れば、熱が外へ逃げて快適になります。

サーマルビアも同じです。
ICの中で発生した熱は、放熱パッドという「熱源」に集まります。そのままでは熱は基板上層に閉じ込められて、IC自身の温度を上げてしまう。
そこで、サーマルビアという「下層への換気口」を開けて、内層GNDや裏面銅箔という「広い放熱の海」へ熱を逃がしてあげるのです。

ポイント
サーマルビアは「電気のため」ではなく「熱のため」のビア。だから設計の指標も「熱抵抗(℃/W)」で考えます。電流計算で考えると、判断を間違えます。
普通のビアとサーマルビアの違いの図。普通のビアは電気を流し設計指標は電流容量[A]、サーマルビアは複数を並べてICの熱をGNDプレーンへ逃がし設計指標は熱抵抗[℃/W]
普通のビアは電気を、サーマルビアは熱を逃がす

CADを触る前に知っておくべき「基板作りの基本」を網羅。
初めての基板設計から実装まで、手順に迷子にならないための分かりやすい入門書はこちら

サーマルビア1本がどれくらい熱を逃がせるか?

設計の前に、まず「ビア1本の実力」を知っておきましょう。

標準的なサーマルビア(ビア径φ0.3mm、ビア長1.6mm、銅メッキ厚25μm)の熱抵抗は約60〜100℃/Wです。「ビア1本で1Wの熱を流すと、約60〜100℃の温度差が生まれる」という意味になります。

サーマルビア1本の目安
熱抵抗:約60〜100 ℃/W(1本あたり)
並列で増やすと、本数に反比例して熱抵抗が下がる

つまり、ビア9本並列にすると熱抵抗は 約7〜11℃/W まで下がる、という計算になります。

ビア本数 合成熱抵抗(目安) 用途の例
1本 約60〜100℃/W 小信号IC・低発熱(〜0.3W)
9本(3×3) 約7〜11℃/W レギュレータ・小型LDO(〜2W)
25本(5×5) 約2.4〜4℃/W DC-DCコンバータ(〜5W)
49本(7×7) 約1.2〜2℃/W パワーMOSFET・大型IC(5W以上)
注意
これはあくまで「ビアそのものの熱抵抗」です。実際には放熱パッドや内層GND、外気との熱抵抗も加算されるので、これだけで安心せず、必ず全体の熱回路で評価してください。
ビア本数と熱抵抗の関係の棒グラフ。1本で80℃/W、9本で9℃/W、25本で3℃/W、49本で1.6℃/Wと、並列で本数に反比例して下がる
サーマルビアは本数を増やすほど熱抵抗が下がる

ビア径とピッチはどう決める?

本数と並んで悩むのが、ビア径とピッチ(ビア間隔)です。それぞれの基本ルールを押さえましょう。

ビア径=φ0.3mmが標準。大きすぎても問題

「径を大きくすれば熱抵抗が下がるはず」と考えがちですが、ここに落とし穴があります。

φ0.3mm(標準)

熱抵抗とコストのバランス◎

はんだも吸われにくい

×

φ0.5mm以上

穴からはんだが裏に抜ける

放熱パッドのはんだ不足

大きいビアは、はんだリフロー時に 溶けたはんだが穴を伝って裏面へ抜けて行ってしまう 現象(ソルダーボイド・ソルダースルー)を起こします。結果、放熱パッドのはんだが足りなくなり、肝心の「IC↔パッドの熱伝達」が悪化する。本末転倒です。

現場の声
業界の鉄板ルールは 「サーマルビアはφ0.2〜0.3mm、ピッチ1.0〜1.2mm」。多くのIC(TI・ADI・STなど)のデータシートでも同じような推奨値が示されています。

ピッチ=1.0〜1.2mmが目安

ピッチ(ビアとビアの中心間距離)は、密にしすぎても効果が頭打ちになります。

ピッチ 特徴
0.6〜0.8mm 密。効果は若干上がるが製造難度UP・コスト増
1.0〜1.2mm 標準。熱性能・製造性のバランス◎
1.5mm以上 疎すぎ。本数が増えても効果が分散する

ピッチが広すぎると、放熱パッド内に「熱が逃げない場所」ができて、その下のICの一部だけが集中的に熱くなることもあります。「均等に並べる」のが鉄則です。

サーマルビアの径の比較図。φ0.3mmならはんだがパッド上に留まり熱抵抗も良好、φ0.5mm以上ははんだがビアから裏に抜ける
ビア径はφ0.3mmが標準、太いとはんだが裏に抜ける

内層GNDへの接続=「広い海」を用意する

サーマルビアで頑張って熱を内層に降ろしても、内層側のGNDが貧弱だとそこで熱が滞留します。下水管を太くしても、下水処理場が小さければ詰まるのと同じ。

サーマルビアの設計は「ビアそのもの」だけでなく、接続先のGNDプレーンの広さもセットで考えましょう。

原則1

内層GNDはベタ(広い面)で接続する
細い線ではなく、広いプレーンに「面」で接続するのがベスト。熱は面で広がる方が逃げやすい。

原則2

サーマルリリーフはOFFにする
製造ソフトの初期設定では「十字接続(サーマルリリーフ)」になっていることが多い。これでは熱の通り道が極端に狭くなる。

原則3

裏面にも放熱銅箔を敷く
4層基板なら、裏面(L4)にも広いGNDプレーンを設け、サーマルビアで貫通させる。これで「外気への放熱」もできる。

×

サーマルリリーフON

十字の細い線でしか繋がっていない

熱がここで詰まる

サーマルリリーフOFF

広いベタ面に直接接続

熱がスムーズに広がる

注意
サーマルリリーフをOFFにすると、製造時のはんだ付けで熱が逃げやすくなり、はんだ不良を招く可能性があります。製造部門と必ず事前に相談してください。
サーマルパッドのビアピッチの比較図(上面図)。1.5mm以上は疎すぎて熱が逃げにくく、1.0〜1.2mmが標準、0.6〜0.8mmは密すぎてコストが増える
ビアピッチは1.0〜1.2mmが放熱とコストのバランスがよい

入門書を読み終え、いざ実務レベルの基板設計へ!
もう一段上の「ノイズに強い・熱がこもらない」プロの設計手法を身につける実践集はこちら

おすすめの本

「サーマルビアの設計」を、実際の基板設計のテクニックとあわせて身につけたい人に向いています。CQ出版『トランジスタ技術SPECIAL』の、プリント基板設計の実用的なテクニックを集めた号です。

サーマルビア設計の落とし穴3選

「ビアの本数を増やせばOK」と思っていると、痛い目に遭います。実際の現場でよく見る3つの落とし穴を紹介します。

落とし穴①:ビア径が大きすぎてはんだが抜ける

前述の通り、φ0.5mm以上のビアを放熱パッドに置くと、リフロー時にはんだが裏面へ流れていきます。結果、放熱パッドのはんだ層が薄くなって 熱伝達が悪化。本末転倒の典型例です。

対策は、ビア径φ0.2〜0.3mmを守るか、ビア埋め(filled via / capped via)仕様にすることです。

落とし穴②:内層GNDがブツ切り

「内層にもサーマルビアを通したぞ!」と安心していたら、内層のGNDが他の配線で分断されていて、熱が広がらなかった――というケース。

必ず内層GNDの「ベタの広さ」を確認してください。サーマルビアの直下が細い島になっていたら、いくらビアを増やしても効果は出ません。

落とし穴③:パッドの外側にビアを打つ

「ビアをはんだの邪魔にしないように」と、放熱パッドの外側にビアを並べるケースをたまに見ます。これではせっかくの熱が、パッドからビアまで遠回りすることになります。

サーマルビアは 放熱パッドの「中」 に配置するのが大原則です。はんだの問題はビア径やビア埋めで対処すべきで、配置を犠牲にしてはいけません。

ポイント
ICのデータシートには、ほぼ必ず「推奨フットプリント」が載っています。サーマルビアの本数・配置・ピッチも図示されているので、まずはそれに従うのが安全です。
内層GNDの広さを下水処理場にたとえた図。内層GNDが小さいと熱が滞留し、広いと熱が拡散してスムーズに逃げる
内層GNDは広いほど熱がスムーズに逃げる

放熱パッド(Exposed Pad)側の設計|パターン・はんだの塗り方・ボイド

QFN・DFNやパワーパッケージの裏にある金属面(Exposed Pad・Thermal Pad)は、チップの熱を基板に流す一番の通り道です。サーマルビアはその先の通り道なので、パッド側の作り方を間違えると、ビアをいくら打っても熱が逃げません。

パターンの4つの原則

① 形と大きさはデータシートの推奨フットプリントに合わせる(大きすぎると周りのピンとブリッジしやすい)
② サーマルビアはパッドの内側に均等に並べる(この記事の前半の径・ピッチの考え方)
③ ベタGNDへはサーマルリリーフなしで直接つなぐ
④ ソルダーレジストはパッド全面を開ける

放熱パッドは多くの品種で電気的にはGNDですが、つながっていない品種や別の電位の品種もあります。必ずデータシートで確かめてください。

はんだペーストは「全面ベタ塗り」にしない

広いパッドにペーストを全面に塗ると、リフローのときにフラックスから出るガスの逃げ場がなくなり、はんだの中に空洞(ボイド)が残りやすくなります。そこで、メタルマスクの開口を市松・格子・スリットなどに分けて、合計の塗布量をパッドより少なめにするのが一般的です。多くのデータシートに、推奨の開口(Stencil Aperture)が載っています。

分け方 特徴
市松(チェッカー)ガスが抜けやすく、推奨されることが多い
格子(ビアの間に塗る)ビアの配置と合わせやすい。ビアの真上を避けられる
スリット(縞)作りやすいが、ガスの抜けは市松にやや劣る

ビアの真上にペーストを塗ると、溶けたはんだがビアに吸い込まれてパッドのはんだが足りなくなります。塗る場所をビアから外すか、ビアを樹脂で埋めてふたをする仕様(埋めビア・Via-in-Pad)で発注します。埋めビアは費用が上がるので、必要な所だけに使います。

ボイド率の合格値は、規格で一律には決まっていません。底面電極部品(BTC)の設計と実装の指針である IPC-7093 も、考え方と目安を示すものです。顧客の要求、部品メーカーの推奨、試作での熱抵抗・温度サイクルの評価をもとに、製造と合格値を決めて文書にするのが実務です。ボイドが多いと熱抵抗が上がり、はんだの強度と長期の信頼性も下がります。

サーマルリリーフとベタ接続の使い分け

サーマルビアやパッドを内層・表層のベタ(銅で塗りつぶした面)につなぐとき、全面でつなぐ(ベタ接続)か、細い数本の橋でつなぐ(サーマルリリーフ)かを選びます。ここは「放熱」と「はんだ付けのしやすさ」の引き換えです。

サーマルリリーフベタ接続
熱の逃げ方橋が細いので逃げにくい全面から逃げる
はんだ付け熱がこもるので、はんだが溶けやすく付けやすい熱がベタに逃げて温度が上がりにくく、はんだ不良が出やすい
電流橋の幅で流せる電流が決まる多く流せる
向く場所挿入部品のリード、信号・小電流のGNDピン放熱パッド・サーマルビア、大電流の電源・パワー部品

放熱が目的のサーマルビアや放熱パッドは、ベタ接続が基本です。そのかわり、はんだ付けの条件(予熱・リフローの温度プロファイル・手はんだのこて先の熱容量)を製造部門と事前にすり合わせます。CADの設定はベタへの接続をまとめてサーマルリリーフにしてしまうことがあるので、放熱させたいパッドが細い橋になっていないかを必ず目で確かめます。

サーマルビア設計の手順=4ステップで完成

ここまでの話を、設計の手順としてまとめます。

STEP 1

ICの発熱量[W]を確認する
データシートのPd(消費電力)を確認。実使用時の損失計算でもOK。

STEP 2

必要な熱抵抗[℃/W]を決める
「Tj(接合温度)−Ta(周囲温度)÷ Pd」で逆算。マージン込みで設計。

STEP 3

ビア本数を決める
「1本60〜100℃/W ÷ 必要本数 = 目標熱抵抗」で逆算。表(ブロック③)を参考に。

STEP 4

径φ0.3mm・ピッチ1.0〜1.2mmで均等配置
放熱パッド内に均等に配置。サーマルリリーフOFF・内層GNDはベタ。

迷ったら
「データシート推奨フットプリント+ピッチ1.0mm+サーマルリリーフOFF」

サーマルビア設計の4ステップの図。発熱量Pd[W]を確認、必要熱抵抗を計算、ビア本数を決める、φ0.3mm/ピッチ1.0mmで配置
サーマルビア設計の手順4ステップ

目に見えないスイッチングや波形の動きを、フルカラーで完全可視化。
数式だらけの専門書で挫折する前に読みたい、パワエレを「直感的に」理解できる決定版はこちら

おすすめの本

パワーエレクトロニクスの全体を、図でつかみたいときに向いています。パワーエレクトロニクスを、カラーの図解で解説した本です。

まとめ=サーマルビアは「熱の換気口」

今日の話を整理します。

○ サーマルビアは「熱を逃がす換気口」。電流じゃなくて熱で考える

○ 1本あたりの熱抵抗は約60〜100℃/W。並列で本数を増やす

○ ビア径はφ0.2〜0.3mm、ピッチは1.0〜1.2mmが標準

○ 内層GNDはベタ&サーマルリリーフOFFで「広い海」を用意

○ 迷ったらデータシートの推奨フットプリントに従う

サーマルビアの設計は、地味ですがパワーIC・MOSFET・LED系基板の寿命と信頼性に直結します。「ビアを9本並べておけばOK」という思い込みを今日で卒業して、熱抵抗ベースで設計できるようになりましょう。

次回は、サーマルビアと並んで重要な「放熱パッド・ヒートシンクの設計」について、より広い視点から解説していきます。お楽しみに。

サーマルビアによる熱伝導経路の構成例の図。φ0.3mm、ピッチ1.0mm、内層GNDへのベタ接続、サーマルリリーフOFF、裏面のGNDプレーンまで貫通させ、迷ったらデータシート推奨に従う
サーマルビアの熱の通り道:迷ったらデータシート推奨に従う
この記事の理解を深める本と道具
おすすめの本

熱設計を、基礎から体系立てて学びたいときに向いています。電子機器の熱設計を、基礎から学べる入門書です(日刊工業新聞社、国峯尚樹 著)。

S
シラス
電験三種・QC検定1級 / メーカーでパワエレ設計・品質保証 実務10年

メーカーで電気設計と品質保証に携わってきた経験をもとに執筆しています。むずかしい専門用語をできるだけ使わず、はじめて学ぶ人がつまずかないように、図とたとえで説明することを大切にしています。

次に読むべき記事

この記事の内容がわかったら、基板の熱設計の次のテーマに進みましょう。続けて読むと、現場でそのまま使える知識になります。

基板による放熱の限界|どこまで基板で熱を逃がせるか
まずはここから
基板による放熱の限界|どこまで基板で熱を逃がせるか

基板で逃がせる熱の限界

記事を読む →
この記事の続きはこちら

テーマ別に、もっと深く学ぶ

気になるところから読んでも大丈夫です。どの記事も、はじめて学ぶ人向けにやさしく書いています。

つまずきやすい「違い」を一気に解決
計算力アップ・資格対策

-基板設計
-