전원 비아와 써멀 비아

참고

이 문서의 층위 — 적용. 신호가 아니라 전력과 열을 나르는 비아의 배치를 다룬다. 등가 성분의 유래는 등가 모델이 소유한다. 전원 분배망 전반은 전원 무결성이 소유한다.

1. 전원 비아를 병렬로 두는 이유

전원과 접지를 층 사이에서 잇는 비아는 신호 비아와 요구가 다르다. 전류가 크고, 그 전류가 빠르게 변한다.

비아 하나를 여러 개로 나누면 세 값이 함께 좋아진다.

값	비아를 n 개로 늘리면
저항	1/n 로 준다
인덕턴스	대략 1/n 로 준다. 다만 서로 가까우면 상호 인덕턴스로 효과가 줄어든다
전류 용량	n 배로 는다
열 저항	준다

참고

병렬 비아는 서로 떨어뜨려 배치할 때 더 효과적이다. 너무 가까우면 자기장이 겹쳐 상호 인덕턴스가 커지고, 개수만큼 인덕턴스가 줄지 않는다. 다만 부품에서 멀어지면 배선 구간이 길어지므로 두 축의 균형을 본다.

2. 전류 용량

비아의 전류 용량을 정하는 것은 허용 온도 상승이다. 전류가 지나면 배럴의 저항이 열을 내고, 그 열이 기판으로 빠져나가는 속도와 균형을 이루는 지점에서 온도가 멎는다.

요소	영향
도금 두께	전류가 지나는 고리의 면적을 정한다
드릴 지름	고리의 둘레를 정한다
배럴 길이	저항과 열 경로의 길이를 정한다
이어진 동판의 넓이	열이 빠져나가는 속도를 정한다
병렬 개수	전류를 나눈다

IPC-2152 는 온도 상승과 도체 단면적으로 허용 전류를 정하는 기준을 제공한다. 비아에 적용할 때 주의할 점은 하나다 — 단면적은 홀의 면적이 아니라 도금된 동이 이루는 고리의 면적이다.

주의

“비아 하나면 되겠지” 는 판단이 아니다. 전류와 허용 온도 상승을 정하고, 그 조건에서 필요한 단면적을 구하고, 도금 두께로 나눠 개수를 정한다. 도금 두께는 설계자가 정하는 값이 아니라 등급이 정하는 값이므로(구조와 제조 한계 §4) 조정할 수 있는 것은 지름과 개수다.

3. 전원 무결성에서의 비아 인덕턴스

전원 분배망(power distribution network)에서 비아는 부품과 전원 동판 사이의 직렬 인덕턴스로 들어온다. 디커플링 커패시터를 부품 가까이 배치해도, 커패시터에서 동판까지 내려가는 비아의 인덕턴스가 크면 그 커패시터는 높은 주파수에서 제 역할을 하지 못한다.

줄이는 수단	방식
짧게	디커플링에 쓰이는 층을 부품 실장면 가까이 배치한다
여러 개로	커패시터 한 개에 비아를 두 개 이상 배치한다
가까이	커패시터 패드에서 비아까지의 배선 구간을 없앤다
패드 안으로	패드 안 비아를 써서 배선 구간을 0 으로 만든다

세 번째가 가장 흔히 놓치는 자리다. 커패시터를 부품 곁에 배치해 놓고 비아까지 배선으로 길게 빼면, 그 배선이 커패시터의 이점을 상쇄한다.

4. 써멀 비아

발열 부품의 열은 실장면의 동박만으로는 다 빠지지 않는다. 안쪽 동판으로 옮기는 통로가 써멀 비아다.

열 경로는 네 구간으로 이어진다.

#	구간	좌우하는 것
1	부품에서 패드로	접합 품질 · 솔더 두께
2	패드에서 배럴로	비아의 배치와 개수
3	배럴을 지나 아래로	도금 두께 · 배럴 길이 · 채움 여부
4	동판으로 퍼진다	동판의 넓이와 두께

참고

네 구간 중 가장 나쁜 것이 전체를 정한다. 비아를 아무리 많이 배치해도 그 아래 동판이 좁으면 열은 그 지점에서 막힌다. 써멀 비아를 늘리기 전에 어느 구간이 병목인지를 먼저 본다.

4.1 배치

항목	내용
자리	발열 부품의 열 패드 바로 아래에 배열로 배치한다
간격	촘촘할수록 열 저항이 낮아지되 패드 면적과 제조 한계가 상한을 정한다
지름	작은 비아를 여러 개 두는 편이 큰 비아 하나보다 다루기 쉽다
채움	채우면 열 전도가 좋아지고 솔더가 빠지지 않는다
아래쪽	반대 면의 동박까지 이어 두면 그쪽으로도 열이 퍼진다

주의

채우지 않은 써멀 비아를 열 패드 안에 배치하면 리플로(reflow)에서 솔더가 배럴로 흘러 내려간다. 결과는 접합부의 솔더 부족과 열 저항 상승이다. 패드 안 비아의 처리는 구조와 제조 한계 §6 과 같다.

5. 전기 비아와 열 비아의 차이

같은 구조지만 정하는 근거가 다르다.

	전원 비아	써멀 비아
정하는 기준	전류와 허용 온도 상승	열 저항(thermal resistance)과 허용 접합 온도
배치 근거	인덕턴스를 낮추는 자리	열원 바로 아래
개수의 근거	계산한 단면적	열 저항 목표
채움	필요에 따라	대개 채운다

한 비아가 두 역할을 겸하는 경우가 많다. 접지 열 패드 아래의 비아는 접지 전류도 나르고 열도 나른다. 그때는 두 기준을 모두 만족하는 값을 쓴다 — 둘 중 큰 개수를 택한다.

6. 확정 전 점검 항목

축	확인
전류	넷이 나르는 전류와 허용 온도 상승을 정했는가
전류	단면적을 고리 면적으로 계산했는가 · 홀 면적으로 계산하지 않았는가
전류	도금 두께를 등급 기준으로 잡았는가
인덕턴스	디커플링 커패시터에서 동판까지의 배선 구간이 짧은가
인덕턴스	커패시터 하나에 비아가 둘 이상인가
병렬	병렬 비아가 지나치게 몰려 있지 않은가
열	열 경로 네 구간 중 병목이 어디인지 확인했는가
열	비아 아래의 동판이 열을 받을 만큼 넓은가
열	패드 안 비아를 채우도록 지정했는가
겸용	전기와 열을 겸하는 비아에 두 기준을 모두 적용했는가