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PCB设计：关于热过孔的事实和神话
文章作者：道格拉斯·布鲁克斯和约翰·亚当
热通道在控制热部件的温度方面很有用，但重要的是要认识到它们必须在某个地方终止。
在PCB上有一个比预期温度更高的元件是很常见的。通常，控制这种元件热量的方法是：（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个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，从而帮助控制热组件的温度。
各种来源表明，在没有太多理论或实验验证的情况下，此类通孔的最佳尺寸为直径0.3 mm，且应为铜填充。由于每个通孔在温度方面的改善幅度都较小，因此通孔数量的实际限制在50到100个左右。
仔细看看
在大多数关于热过孔的文章中，作者没有认识到一个非常重要的点。热通孔必须从焊盘到“某处”，而“某处”通常是位于加热焊盘下方的堆叠中的铜平面。我们展示了一个前文下方平面的存在会显著降低痕迹的温度。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个因素更强烈地影响衬垫的温度:热量通过(s)或下平面。
我们使用一种称为TRM的热模拟工具来研究这些因素。我们在最近的书中详细描述了这种热模拟，过孔和跟踪电流和温度的PCB设计指南我们从一个典型的1600μm厚的FR4板开始，尺寸为100 x 100 mm2.. 我们模拟了一个25 x 25 mm的加热部件2.垫。TRM模型的一个独特功能是，我们可以在铜衬垫上施加一定数量的瓦来加热它，而不是在衬垫上施加电流。这就避免了计算各种电流流经垫、通道和平面。在我们的情况下，我们将应用2.5瓦的pad，加热裸pad到95.7oC-75.7oC高于环境温度。图形1.说明了在这些条件下，整个板的顶层的热分布。
图1热分布显示在加热垫上，没有任何下垫面。
请注意，垫温在中心是最高的。它的边缘也更高。这是因为边角比边角更有效地冷却，而边角比中心更有效地冷却。我们会在第十四章讲到原因我们的书.
不幸的是，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等方面都有所不同。因此，没有“典型的”因此，我们提供以下讨论，从中我们得出一些结论。万博投注网址
但首先，我们要强调两点:
- 热通孔设计几乎总是（几乎万博投注网址按定义）在一定尺寸的铜“平面”上终止通孔。
- 那架飞机提供的冷却潜力比许多热通道都要大。
我们会看两种不同的平面构型。一个是“飞机”(“小”)，与垫大小相同。另一个是一个平面(“大”，从电源平面的角度考虑)，它覆盖板上某一层的整个区域。飞机将被放置在两个深度的板上。一个将在垫下300 μm(“近”，约12密耳)处。另一个将在板的“远”侧，近1.6毫米，约63毫米，在垫下。
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的空气。在另外一对模拟中，这些飞机将成为“散热器”。也就是说，它们的温度将保持在20oC
每个热通孔的直径为0.3 mm，约为12密耳。我们将假设热通孔填充有镀铜，这实际上是纯铜。这假设我们将通过通孔获得尽可能好的导热性。如果通孔壁仅镀至（比如）1.5密耳厚度，其导热系数将显著降低。
比较热通孔与电路板材料的导热性能很有趣。忽略对流、辐射和热扩散的导热公式为：
Q/t=KA（Δt）/d（1）
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型号大约为0.6
铜大约385英镑
ΔT=温度变化(oC =oK)
A=重叠区域
约625毫米2.对于pad
πr2.= (3.14) * (0.152.)=0.0707毫米2.对于每个热通孔
d=衬垫和平面之间的距离
“近”平面为300μm
“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的取消）：
（Q/t）P/（Q/t）电视= (kA)P/ (kA)电视= (0.6)(625)/(385)(0.0707) = 13.8 (2)
也就是说，在这个特定的设计中，通过板材料的导热系数几乎是通过热通道的14倍。但情况远不止如此。非常重要的是要注意到，仅仅存在一个底层平面就会降低衬垫的温度。因此，后续热导率通过进一步降低，因为ΔT这个术语由于飞机的存在而减少了。
仿真结果
图2以图形方式显示模拟结果。2.5瓦电源将裸焊盘自身加热至95.7瓦o这是75.7分oC高于20的差值oC环境温度。该图绘制了每个平面组合和热通孔数量的焊盘上的最高温度。平面和热通孔的不同组合似乎对板的最高温度有一些影响。但有些因素比其他因素重要得多。
图2对于不同的子平面配置，显示了焊盘上的最高温度与热通孔的数量。
飞机的影响占主导地位
下垫面的存在显著降低了焊盘的温度。凭直觉，这并不难理解。但它也会提高下垫面的温度。例如图3说明了电路板远侧的“小”平面外壳底层的热分布。平面上的温度在80度范围内，但当您离开平面时，温度会迅速下降到环境温度。
图3对于“小平面，远”的情况，显示了底层的热分布
垫块/飞机组合的稳定温度取决于飞机的相对尺寸。由于热源在垫层处，垫层的温度会使小平面的温度升高。更大的飞机，有更多的冷却能力，倾向于降低垫层的温度。在这两种情况下，垫板和飞机之间的温差都是相对较小的，小于10oC在我们的模型中。
在我们的情况下，稳定（绝对）温度将介于裸焊盘温度和环境温度之间，非常接近中间温度范围。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，垫块与任何飞机(ΔT在公式1中)，在每个模拟中显著减少。表1说明了在我们的模拟中发生了什么。因为飞机的出现导致了ΔT如此急剧下降，热导率通过热通过(公式1)被减少到一点，后续热通过可以有很少或没有影响。
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的所有模拟。但重要的是要注意，一个小飞机添加到一个董事会，以帮助冷却加热垫是适得其反的。其效果不是降低衬垫的温度，而是提高飞机的温度，从而从一开始就否定了主要目标。
热过孔仅提供“点”解决方案
热通孔可能提供的额外好处很小，但仅限于通孔周围非常狭窄的区域。图4图1显示了焊盘的热分布，并添加了“大平面，远”。左侧显示了无热通孔的情况，右侧显示了25个热通孔。请注意这些图像的扩展热比例。焊盘边缘和拐角处的冷却特性与无平面焊盘的冷却特性几乎相同。在没有任何热通孔的条件下（见表1），该焊盘的最高温度约为58℃oC.过孔与没有过孔的情况相比，仅提供几度的温差，这种温差非常接近过孔本身。
图4热通道只对衬垫上的热分布有很小的影响。这个模拟是针对“大飞机，远。”
几乎按照定义，热过孔需要一个铜表面来终止。铜表面的存在会影响通过电路板的热分布。净影响是温差（ΔT)加热垫和铜表面之间的热传导率显著降低。这降低了通过任何热通孔的热导率，热通孔几乎没有增加额外的好处。
此外，如果附加铜表面积较小，则焊盘的稳定温度可能仅略低于无焊盘时的温度。最好的改进来自相对较大的铜面积，如电源/基准面相对靠近电路板的远侧。
最后，任何热通道添加到板往往只有一个“点”的影响。也就是说，它们往往只会在它们被放置的地方撞击衬垫。这就是为什么许多先前的作者认为通常需要大量热通道的主要原因。
道格拉斯·布鲁克斯写过两本关于PCB设计的书和许多技术文章。他在世界各地举办PCB设计研讨会。万博投注网址
约翰内斯·亚当(Johannes Adam)在Cisi Ingenierie、Flomerics和Mentor Graphics等公司从事电子冷却的数值模拟工作。他目前是一名技术顾问。
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