PCB 设计：仔细研究关于热通孔的散热设计第一部分

在 PCB 上具有比所需组件更热的组件是很常见的。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。这种通孔称为“热通孔”。这个想法是热通孔将热量从焊盘传导出去，从而有助于控制热元件的温度。

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，并且应该是铜填充的。由于每个通孔对温度的改善幅度较小，因此通孔数量的实际限制约为 50 到 100 个。

仔细观察

在大多数与热通孔相关的文章中，作者都没有认识到一个非常重要的观点。热通孔必须从焊盘到“某处”。而那个“某处”通常是位于加热垫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。同样，底层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：热通孔或底层平面。

我们使用称为 TRM 的热模拟工具检查这些因素。我们从一块典型的 1600-μm 厚的 FR4 板开始，尺寸为 100 x 100 mm 2。我们模拟一个带有 25 x 25 mm 2焊盘的加热组件。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。这避免了必须计算通过焊盘、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 到 75.7 o C。

请注意，焊盘温度在中心最高。它也沿着边缘更高。这是因为角落比垫的侧面更有效地冷却，而侧面比中心更有效地冷却。

不幸的是，我们可以将热通孔引入设计的方法几乎是无限的。设计在尺寸、材料、热通孔的数量和尺寸以及热量产生方面各不相同，仅举几例。因此，没有我们可以模拟的“典型”设计。因此，我们提供以下讨论，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(几乎按照定义)具有终止于某种尺寸的铜“平面”的通孔。

2. 该平面比许多热通孔提供更多的冷却潜力。

我们将研究两种不同的平面配置。一个是与焊盘大小相同的“平面”(“小”)。另一个将是一个平面(“大”，从电源平面的角度考虑)，它在电路板的某个层覆盖了电路板的整个区域。地平面将放置在板上的两个深度处。一个将在焊盘下方 300 μm(“近”，大约 12 密耳)处。另一个将位于电路板的“远”侧，在焊盘下方几乎 1.6 毫米(约 63 密耳)处。

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环境空气。在另外一对模拟中，这些平面将成为“散热器”。也就是说，它们的温度应保持在 20 o C不变。

每个散热孔的直径为 0.3 毫米(约 12 密耳)。我们将假设热通孔填充有镀铜，实际上是纯铜。这假设我们将通过通孔获得最佳的热导率。如果通孔壁仅镀到 1.5 密耳厚，它们的热导率会大大降低。

将热通孔的导热质量与电路板材料进行比较是很有趣的。热传导的公式——忽略对流、辐射和热扩散——是：

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

ΔT = 温度变化 ( o C = o K)

A = 重叠区域

垫 约 625 mm 2

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

d = 焊盘和平面之间的距离

“近”平面为 300 μm

“远”平面为 1.6 mm

焊盘和热通孔的传热速率不同。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，在这个特定设计中，通过电路板材料的热导率几乎是通过热通孔的 14 倍。但情况远不止如此。非常重要的是要注意，仅仅存在底层平面就会降低焊盘的温度。因此，热通孔的后续热导率进一步降低，因为ΔT项已因平面的存在而降低。