热通孔：最大限度提高 PCB 设计效率

[导读]PCB 上的元件温度高于预期的情况是相当常见的。通常，控制此类组件热量的方法是 (a) 在其下方创建一个尽可能坚固的铜焊盘，然后 (b) 在焊盘与焊盘下方某处的导热表面之间放置通孔。此类通孔称为“热通孔”。这个想法是，散热通孔会将热量从焊盘传导走，从而有助于控制热组件的温度。

什么是散热过孔?

PCB 上的元件温度高于预期的情况是相当常见的。通常，控制此类组件热量的方法是 (a) 在其下方创建一个尽可能坚固的铜焊盘，然后 (b) 在焊盘与焊盘下方某处的导热表面之间放置通孔。此类通孔称为“热通孔”。这个想法是，散热通孔会将热量从焊盘传导走，从而有助于控制热组件的温度。

各种消息来源表明，在没有太多理论或实验验证的情况下，这种通孔的最佳尺寸是直径 0.3 毫米，并且应该填充铜。由于每个通孔对温度的改善幅度稍小，因此通孔数量的实际限制约为 50 至 100 个。

热通孔和底层平面

在大多数与热通孔相关的文章中，作者都没有认识到非常重要的一点。热通孔必须从焊盘延伸到“某个地方”。这个“某处”通常是位于加热焊盘下方的叠层中的铜平面，底层平面的存在会显着降低走线的温度。类似地，下面的平面本身会降低加热垫的温度。因此，重要的是要认识到哪些因素对焊盘温度的影响更大：散热孔或底层平面。

PCB 仿真和示例

我们使用称为 TRM 的热模拟工具来检查这些因素。我们从尺寸为 100 x 100 mm 2 的典型 1600 μm 厚 FR4 板开始。我们使用 25 x 25 mm 2焊盘模拟加热组件。 TRM 模型的一个独特功能是，我们可以向铜焊盘施加一定数量的瓦特来加热它，而不是在焊盘上施加电流。这避免了必须计算流经焊盘、通孔和平面的各种电流。在我们的例子中，我们将向焊盘施加 2.5 瓦的功率，将裸焊盘加热到比环境温度高 95.7 o C — 75.7 o C。图1显示了这些条件下电路板顶层的热分布。

图 1显示了没有任何底层平面的加热垫上的热分布。

请注意，焊盘中心温度最高。边缘也更高。这是因为角落比垫的侧面冷却得更有效，而侧面比中心冷却得更有效。

不幸的是，我们可以通过几乎无限多种方式将散热孔引入设计中。设计在尺寸、材料、散热孔的数量和尺寸以及热量产生等方面有所不同。因此，我们没有可以模拟的“典型”设计。因此，我们提出以下讨论，并从中得出一些结论。

但首先，我们要强调两点：

1. 热通孔设计几乎总是(几乎根据定义)具有终止于某种尺寸的铜“平面”的通孔。

2. 该平面比许多散热孔具有更大的冷却潜力。

我们将研究两种不同的平面配置。一个是与垫大小相同的“平面”(“小”)。另一个将是一个平面(“大”，就电源平面而言)，在电路板的某个层覆盖电路板的整个区域。这些平面将放置在板中的两个深度处。其中一个位于焊盘下方 300 微米(“附近”，大约 12 密耳)处。另一个位于电路板的“远”侧，距离焊盘下方约 1.6 毫米(约 63 密耳)。

这四个模拟将“自然”冷却，这意味着热量将通过它们流向电路板材料和周围空气。在另外一对模拟中，这些平面将成为“散热器”。也就是说，它们的温度应保持恒定在 20 ° C。

每个散热孔的直径为 0.3 毫米(约 12 密耳)。我们假设散热孔填充有镀铜，这实际上是纯铜。这假设我们将通过通孔获得最佳的导热率。如果通孔壁仅电镀至 1.5 密尔厚，那么它们的热导率将大大降低。

将散热孔与电路板材料的导热质量进行比较很有趣。热传导公式(忽略对流、辐射和热扩散)为：

Q/t = KA (ΔT)/d (1)

在哪里：

Q/t = 传热速率(瓦特或焦耳/秒)

K = 导热系数(W/mK)

我们的 FR4 型号约为 0.6

铜约385

Δ T = 温度变化 ( o C = o K)

A = 重叠面积

垫板约625mm 2

每个散热孔的 πr 2 = (3.14) * (0.15 2 ) = 0.0707 mm 2

d = 焊盘与平面之间的距离

“近”平面为 300 μm

“远”平面为 1.6 毫米

焊盘和热通孔的传热速率是不同的。我们可以通过形成比率(ΔT 和 d 的抵消)来比较它们的大小：

(Q/t) p /(Q/t) tv = (kA) p /(kA) tv = (0.6)(625)/(385)(0.0707) = 13.8 (2)

也就是说，在该特定设计中，通过电路板材料的导热率几乎是通过散热通孔的导热率的 14 倍。但情况远不止于此。值得注意的是，仅仅存在底层平面就会降低焊盘的温度。因此，由于平面的存在降低了ΔT项，因此随后的热通孔的热导率进一步降低。

模拟结果

图 2以图形方式显示了模拟结果。 2.5 瓦电源将裸焊盘自身加热至 95.7 o C。这比 20 o C 环境温度高出 75.7 o C。该图绘制了每种平面和散热通孔数量组合的焊盘上的最高温度。平面和散热孔的不同组合似乎对板的最高温度有一定影响。但有些因素比其他因素重要得多。

图 2显示了不同子平面配置的焊盘最高温度与散热通孔数量的关系。

平面的影响占主导地位

底层平面的存在显着降低了焊盘的温度。直观上来说，并不太难理解。但它也会升高底层平面的温度。例如，图 3显示了电路板远端“小”平面外壳底层的热分布。飞机上的温度在 80 度范围内，但当您离开飞机时，温度会迅速下降到环境温度。

图 3显示了“小平面、远”情况下的底层热分布。

焊盘/平面组合的稳定温度取决于平面的相对尺寸。由于热源位于焊盘处，因此焊盘的温度会升高小平面的温度。更大的平面具有更强的冷却能力，往往会降低垫的温度。无论哪种情况，焊盘和平面之间的温差都相对较小，在我们的模型中小于 10 ° C。

稳定(绝对)温度将介于裸焊盘温度和环境温度之间，在我们的例子中相当接近中间温度范围。然而，在散热器的极端情况下，焊盘温度几乎一直降低到散热器温度。

因此，每次模拟中焊盘与任何平面之间的温差(公式 1 中的Δ T )都会显着减小。表 1说明了我们的模拟中发生的情况。由于平面的存在导致 Δ T急剧下降，因此通过热通孔的热导率(公式 1)会降低到后续热通孔几乎没有影响或没有影响的程度。

表 1平面的存在会降低焊盘温度，但会升高平面温度。

上述陈述适用于我们所有的模拟。但值得注意的是，在板上添加一个小平面来帮助冷却加热垫会适得其反。其效果不是降低焊盘的温度，而是提高平面的温度，从而从一开始就否定了主要目标。

热通孔仅提供“点”解决方案

热通孔所能提供的额外好处仅限于通孔本身周围非常狭窄的区域。图 4显示了图 1 中添加了“大平面、远”的焊盘的热分布。左侧显示无散热孔的情况，右侧显示 25 个散热孔的情况。请注意这些图像的扩展热比例。垫边缘和拐角处的冷却特性与没有平面的垫几乎相同。在没有任何热通孔的情况下(参见表 1)，该焊盘的最高温度约为 58 o C。通孔与没有通孔的情况相比仅提供几度的温差，并且该差异非常接近于过孔本身。