PCB 設(shè)計(jì)：仔細(xì)研究關(guān)于熱通孔的散熱設(shè)計(jì)第二部分

IC封裝依靠PCB來(lái)散熱。一般而言，PCB是高功耗半導(dǎo)體器件的主要冷卻方法。一款好的PCB散熱設(shè)計(jì)影響巨大，它可以讓系統(tǒng)良好運(yùn)行，也可以埋下發(fā)生熱事故的隱患。謹(jǐn)慎處理PCB布局、板結(jié)構(gòu)和器件貼裝有助于提高中高功耗應(yīng)用的散熱性能。

熱通孔溫度仿真結(jié)果

2.5 瓦電源將裸焊盤(pán)自身加熱到 95.7攝氏度。這比 20 攝氏度環(huán)境溫度高出75.7 攝氏度。該圖繪制了平面和熱通孔數(shù)量的每種組合的焊盤(pán)上的最高溫度。平面和散熱孔的不同組合似乎對(duì)板的最高溫度有一些影響。但有些因素比其他因素重要得多。

地平面的影響占主導(dǎo)地位

底層平面的存在顯著降低了焊盤(pán)的溫度。直覺(jué)上，它并不太難理解。但它也提高了底層平面的溫度。顯示了電路板另一側(cè)的“小”平面外殼底層的熱分布。地平面上的溫度在 80 度范圍內(nèi)，但當(dāng)我們離開(kāi)地平面時(shí)，它會(huì)迅速下降到環(huán)境溫度。

焊盤(pán)/平面組合的穩(wěn)定溫度取決于平面的相對(duì)尺寸。由于熱源在焊盤(pán)處，焊盤(pán)的溫度會(huì)提高小平面的溫度。具有更多冷卻能力的較大平面往往會(huì)降低焊盤(pán)的溫度。在任何一種情況下，焊盤(pán)和平面之間的溫差都相對(duì)較小，在我們的模型中小于 10 攝氏度。

穩(wěn)定的(絕對(duì))溫度將介于裸焊盤(pán)溫度和環(huán)境溫度之間——在我們的例子中，相當(dāng)接近中間溫度范圍。然而，在散熱器的極端情況下，焊盤(pán)溫度幾乎一直降低到散熱器溫度。

結(jié)果，在每次模擬中焊盤(pán)和任何平面之間的溫差(等式 1 中的ΔT )都顯著減小。由于平面的存在導(dǎo)致ΔT急劇下降，因此通過(guò)熱通孔(等式 1)的熱導(dǎo)率降低到后續(xù)熱通孔幾乎沒(méi)有影響或沒(méi)有影響的程度。

上述陳述適用于我們所有的模擬。但重要的是要注意，在板上添加一個(gè)小地平面以幫助冷卻加熱墊會(huì)適得其反。其效果不是降低焊盤(pán)的溫度，而是提高了平面的溫度，因此首先否定了主要目標(biāo)。

熱通孔僅提供“點(diǎn)”解決方案

熱通孔可能提供的一點(diǎn)額外好處僅限于通孔本身周?chē)浅＊M窄的區(qū)域。焊盤(pán)的熱分布，增加了一個(gè)“大平面”。左側(cè)顯示了沒(méi)有散熱孔的情況，右側(cè)顯示了 25 個(gè)散熱孔的情況。請(qǐng)注意這些圖像的擴(kuò)展熱標(biāo)度。墊的邊緣和角落的特征冷卻幾乎與沒(méi)有平面的墊相同。在沒(méi)有任何熱通孔的這些條件下，此焊盤(pán)的最高溫度約為 58 攝氏度。通孔與沒(méi)有通孔的情況相比，僅提供幾度的溫度差異，并且該差異非常接近于過(guò)孔本身。

幾乎按照定義，熱通孔需要一個(gè)銅表面來(lái)終止。該銅表面的存在會(huì)影響整個(gè)電路板的熱分布。凈影響是加熱墊和銅表面之間的溫差 ( ΔT )顯著減小。這降低了通過(guò)任何熱通孔的熱導(dǎo)率，以至于熱通孔幾乎沒(méi)有增加額外的好處。

此外，如果額外的銅表面積很小，那么焊盤(pán)的穩(wěn)定溫度可能僅比沒(méi)有焊盤(pán)的情況略低。最好的改進(jìn)來(lái)自相對(duì)較大的銅面積——想想電源/參考平面——放置在相對(duì)靠近電路板的遠(yuǎn)端。

最后，添加到電路板上的任何熱通孔往往只會(huì)產(chǎn)生“點(diǎn)”影響。也就是說(shuō)，它們往往只會(huì)在放置它們的位置撞擊墊。這就是為什么這么多以前的作者認(rèn)為通常需要大量熱通孔的主要原因。