什么是散熱過孔?
PCB 上的元件溫度高于預期的情況是相當常見的。通常，控制此類組件熱量的方法是 (a) 在其下方創(chuàng)建一個盡可能堅固的銅焊盤，然后 (b) 在焊盤與焊盤下方某處的導熱表面之間放置通孔。此類通孔稱為“熱通孔”。這個想法是，散熱通孔會將熱量從焊盤傳導走，從而有助于控制熱組件的溫度。
各種消息來源表明，在沒有太多理論或?qū)嶒烌炞C的情況下，這種通孔的最佳尺寸是直徑 0.3 毫米，并且應該填充銅。由于每個通孔對溫度的改善幅度稍小，因此通孔數(shù)量的實際限制約為 50 至 100 個。
熱通孔和底層平面
在大多數(shù)與熱通孔相關(guān)的文章中，作者都沒有認識到非常重要的一點。熱通孔必須從焊盤延伸到“某個地方”。這個“某處”通常是位于加熱焊盤下方的疊層中的銅平面，底層平面的存在會顯著降低走線的溫度。類似地，下面的平面本身會降低加熱墊的溫度。因此，重要的是要認識到哪些因素對焊盤溫度的影響更大：散熱孔或底層平面。
PCB 仿真和示例
我們使用稱為 TRM 的熱模擬工具來檢查這些因素。我們從尺寸為 100 x 100 mm 2 的典型 1600 μm 厚 FR4 板開始。我們使用 25 x 25 mm 2焊盤模擬加熱組件。 TRM 模型的一個獨特功能是，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。這避免了必須計算流經(jīng)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 — 75.7 o C。圖1顯示了這些條件下電路板頂層的熱分布。
圖 1顯示了沒有任何底層平面的加熱墊上的熱分布。
請注意，焊盤中心溫度最高。邊緣也更高。這是因為角落比墊的側(cè)面冷卻得更有效，而側(cè)面比中心冷卻得更有效。
不幸的是，我們可以通過幾乎無限多種方式將散熱孔引入設計中。設計在尺寸、材料、散熱孔的數(shù)量和尺寸以及熱量產(chǎn)生等方面有所不同。因此，我們沒有可以模擬的“典型”設計。因此，我們提出以下討論，并從中得出一些結(jié)論。
但首先，我們要強調(diào)兩點：
1. 熱通孔設計幾乎總是(幾乎根據(jù)定義)具有終止于某種尺寸的銅“平面”的通孔。
2. 該平面比許多散熱孔具有更大的冷卻潛力。
我們將研究兩種不同的平面配置。一個是與墊大小相同的“平面”(“小”)。另一個將是一個平面(“大”，就電源平面而言)，在電路板的某個層覆蓋電路板的整個區(qū)域。這些平面將放置在板中的兩個深度處。其中一個位于焊盤下方 300 微米(“附近”，大約 12 密耳)處。另一個位于電路板的“遠”側(cè)，距離焊盤下方約 1.6 毫米(約 63 密耳)。
這四個模擬將“自然”冷卻，這意味著熱量將通過它們流向電路板材料和周圍空氣。在另外一對模擬中，這些平面將成為“散熱器”。也就是說，它們的溫度應保持恒定在 20 ° C。
每個散熱孔的直徑為 0.3 毫米(約 12 密耳)。我們假設散熱孔填充有鍍銅，這實際上是純銅。這假設我們將通過通孔獲得最佳的導熱率。如果通孔壁僅電鍍至 1.5 密爾厚，那么它們的熱導率將大大降低。
將散熱孔與電路板材料的導熱質(zhì)量進行比較很有趣。熱傳導公式(忽略對流、輻射和熱擴散)為：
Q/t = KA (ΔT)/d (1)
在哪里：
Q/t = 傳熱速率(瓦特或焦耳/秒)
K = 導熱系數(shù)(W/mK)
我們的 FR4 型號約為 0.6
銅約385
Δ T = 溫度變化 ( o C = o K)
A = 重疊面積
墊板 約625mm 2
每個散熱孔的 πr 2 = (3.14) * (0.15 2 ) = 0.0707 mm 2
d = 焊盤與平面之間的距離
“近”平面為 300 μm
“遠”平面為 1.6 毫米
焊盤和熱通孔的傳熱速率是不同的。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，在該特定設計中，通過電路板材料的導熱率幾乎是通過散熱通孔的導熱率的 14 倍。但情況遠不止于此。值得注意的是，僅僅存在底層平面就會降低焊盤的溫度。因此，由于平面的存在降低了ΔT項，因此隨后的熱通孔的熱導率進一步降低。
模擬結(jié)果
圖 2以圖形方式顯示了模擬結(jié)果。 2.5 瓦電源將裸焊盤自身加熱至 95.7 o C。這比 20 o C 環(huán)境溫度高出 75.7 o C。該圖繪制了每種平面和散熱通孔數(shù)量組合的焊盤上的最高溫度。平面和散熱孔的不同組合似乎對板的最高溫度有一定影響。但有些因素比其他因素重要得多。
圖 2顯示了不同子平面配置的焊盤最高溫度與散熱通孔數(shù)量的關(guān)系。
平面的影響占主導地位
底層平面的存在顯著降低了焊盤的溫度。直觀上來說，并不太難理解。但它也會升高底層平面的溫度。例如，圖 3顯示了電路板遠端“小”平面外殼底層的熱分布。飛機上的溫度在 80 度范圍內(nèi)，但當您離開飛機時，溫度會迅速下降到環(huán)境溫度。
圖 3顯示了“小平面、遠”情況下的底層熱分布。
焊盤/平面組合的穩(wěn)定溫度取決于平面的相對尺寸。由于熱源位于焊盤處，因此焊盤的溫度會升高小平面的溫度。更大的平面具有更強的冷卻能力，往往會降低墊的溫度。無論哪種情況，焊盤和平面之間的溫差都相對較小，在我們的模型中小于 10 ° C。
穩(wěn)定(絕對)溫度將介于裸焊盤溫度和環(huán)境溫度之間，在我們的例子中相當接近中間溫度范圍。然而，在散熱器的極端情況下，焊盤溫度幾乎一直降低到散熱器溫度。
因此，每次模擬中焊盤與任何平面之間的溫差(公式 1 中的Δ T )都會顯著減小。表 1說明了我們的模擬中發(fā)生的情況。由于平面的存在導致 Δ T急劇下降，因此通過熱通孔的熱導率(公式 1)會降低到后續(xù)熱通孔幾乎沒有影響或沒有影響的程度。
表 1平面的存在會降低焊盤溫度，但會升高平面溫度。
上述陳述適用于我們所有的模擬。但值得注意的是，在板上添加一個小平面來幫助冷卻加熱墊會適得其反。其效果不是降低焊盤的溫度，而是提高平面的溫度，從而從一開始就否定了主要目標。
熱通孔僅提供“點”解決方案
熱通孔所能提供的額外好處僅限于通孔本身周圍非常狹窄的區(qū)域。圖 4顯示了圖 1 中添加了“大平面、遠”的焊盤的熱分布。左側(cè)顯示無散熱孔的情況，右側(cè)顯示 25 個散熱孔的情況。請注意這些圖像的擴展熱比例。墊邊緣和拐角處的冷卻特性與沒有平面的墊幾乎相同。在沒有任何熱通孔的情況下(參見表 1)，該焊盤的最高溫度約為 58 o C。通孔與沒有通孔的情況相比僅提供幾度的溫差，并且該差異非常接近于過孔本身。
圖 4散熱通孔僅對焊盤上的熱分布產(chǎn)生微小差異。該模擬適用于“大平面”。
幾乎根據(jù)定義，熱通孔需要銅表面來終止。該銅表面的存在會影響整個電路板的熱分布。最終影響是加熱焊盤和銅表面之間的溫差 (Δ T )急劇減小。這降低了通過任何熱通孔的熱導率，以至于熱通孔幾乎沒有帶來額外的好處。
此外，如果額外的銅表面積很小，則焊盤的穩(wěn)定溫度可能僅比沒有焊盤的情況稍低。最好的改進來自于相對靠近電路板遠側(cè)放置的相對較大的銅區(qū)域(例如電源/參考平面)。
最后，添加到電路板上的任何散熱孔往往只會產(chǎn)生“點”影響。也就是說，它們往往僅在它們放置的位置處沖擊墊。這就是為什么許多先前的作者認為通常需要大量散熱過孔的主要原因。
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