PCB 設(shè)計(jì)：仔細(xì)研究關(guān)于熱通孔的散熱設(shè)計(jì)第一部分

在 PCB 上具有比所需組件更熱的組件是很常見的。通常，控制此類組件熱量的方法是 (a) 在其下方創(chuàng)建一個(gè)盡可能堅(jiān)固的銅焊盤，然后 (b) 在焊盤與焊盤下方某處的導(dǎo)熱表面之間放置通孔。這種通孔稱為“熱通孔”。這個(gè)想法是熱通孔將熱量從焊盤傳導(dǎo)出去，從而有助于控制熱元件的溫度。

各種消息來源表明——在沒有太多理論或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證的情況下——這種通孔的最佳尺寸是直徑 0.3 毫米，并且應(yīng)該是銅填充的。由于每個(gè)通孔對(duì)溫度的改善幅度較小，因此通孔數(shù)量的實(shí)際限制約為 50 到 100 個(gè)。

仔細(xì)觀察

在大多數(shù)與熱通孔相關(guān)的文章中，作者都沒有認(rèn)識(shí)到一個(gè)非常重要的觀點(diǎn)。熱通孔必須從焊盤到“某處”。而那個(gè)“某處”通常是位于加熱墊下方的疊層中的銅平面，底層平面的存在會(huì)顯著降低走線的溫度。同樣，底層平面本身會(huì)降低加熱墊的溫度。因此，重要的是要認(rèn)識(shí)到哪些因素對(duì)焊盤溫度的影響更大：熱通孔或底層平面。

我們使用稱為 TRM 的熱模擬工具檢查這些因素。我們從一塊典型的 1600-μm 厚的 FR4 板開始，尺寸為 100 x 100 mm 2。我們模擬一個(gè)帶有 25 x 25 mm 2焊盤的加熱組件。TRM 模型的一個(gè)獨(dú)特功能是我們可以向銅焊盤施加一定數(shù)量的瓦特來加熱它，而不是在焊盤上施加電流。這避免了必須計(jì)算通過焊盤、通孔和平面的各種電流。在我們的例子中，我們將向焊盤施加 2.5 瓦的功率，將裸焊盤加熱到比環(huán)境溫度高 95.7 o C 到 75.7 o C。

請(qǐng)注意，焊盤溫度在中心最高。它也沿著邊緣更高。這是因?yàn)榻锹浔葔|的側(cè)面更有效地冷卻，而側(cè)面比中心更有效地冷卻。

不幸的是，我們可以將熱通孔引入設(shè)計(jì)的方法幾乎是無限的。設(shè)計(jì)在尺寸、材料、熱通孔的數(shù)量和尺寸以及熱量產(chǎn)生方面各不相同，僅舉幾例。因此，沒有我們可以模擬的“典型”設(shè)計(jì)。因此，我們提供以下討論，從中得出一些結(jié)論。

但首先，我們要強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)：

1. 熱通孔設(shè)計(jì)幾乎總是(幾乎按照定義)具有終止于某種尺寸的銅“平面”的通孔。

2. 該平面比許多熱通孔提供更多的冷卻潛力。

我們將研究?jī)煞N不同的平面配置。一個(gè)是與焊盤大小相同的“平面”(“小”)。另一個(gè)將是一個(gè)平面(“大”，從電源平面的角度考慮)，它在電路板的某個(gè)層覆蓋了電路板的整個(gè)區(qū)域。地平面將放置在板上的兩個(gè)深度處。一個(gè)將在焊盤下方 300 μm(“近”，大約 12 密耳)處。另一個(gè)將位于電路板的“遠(yuǎn)”側(cè)，在焊盤下方幾乎 1.6 毫米(約 63 密耳)處。

這四個(gè)模擬將“自然”冷卻，這意味著熱量將通過它們流向電路板材料和環(huán)境空氣。在另外一對(duì)模擬中，這些平面將成為“散熱器”。也就是說，它們的溫度應(yīng)保持在 20 o C不變。

每個(gè)散熱孔的直徑為 0.3 毫米(約 12 密耳)。我們將假設(shè)熱通孔填充有鍍銅，實(shí)際上是純銅。這假設(shè)我們將通過通孔獲得最佳的熱導(dǎo)率。如果通孔壁僅鍍到 1.5 密耳厚，它們的熱導(dǎo)率會(huì)大大降低。

將熱通孔的導(dǎo)熱質(zhì)量與電路板材料進(jìn)行比較是很有趣的。熱傳導(dǎo)的公式——忽略對(duì)流、輻射和熱擴(kuò)散——是：

Q/t = KA (ΔT)/d (1)

在哪里：

Q/t = 傳熱速率(瓦特或焦耳/秒)

K = 導(dǎo)熱系數(shù) (W/mK)

我們的 FR4 型號(hào)約為 0.6

銅約385

ΔT = 溫度變化 ( o C = o K)

A = 重疊區(qū)域

墊 約 625 mm 2

每個(gè)散熱孔的 πr 2 = (3.14) * (0.15 2 ) = 0.0707 mm 2

d = 焊盤和平面之間的距離

“近”平面為 300 μm

“遠(yuǎn)”平面為 1.6 mm

焊盤和熱通孔的傳熱速率不同。我們可以通過形成比率(ΔT和 d 的抵消)來比較它們的大?。?

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

也就是說，在這個(gè)特定設(shè)計(jì)中，通過電路板材料的熱導(dǎo)率幾乎是通過熱通孔的 14 倍。但情況遠(yuǎn)不止如此。非常重要的是要注意，僅僅存在底層平面就會(huì)降低焊盤的溫度。因此，熱通孔的后續(xù)熱導(dǎo)率進(jìn)一步降低，因?yàn)棣項(xiàng)已因平面的存在而降低。