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211、985硕士，职场15年+
从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作，涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域
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本期给大家带来的是关于PCB热过孔相关研究内容，希望对大家有帮助。
之前有写过关于PCB热设计方面的内容，感兴趣的可点击下方链接查阅。
某光电信号 PCB仿真分析
PCB板级热设计仿真分析：EDA与FT&EFD工具的协同作业
PCB设计铜箔厚度与走线宽度和电流之关系
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背 景
随着新的设计和组件的发展，对高性能散热器的需求也伴随着对更好的PCB设计需求。
一个设计更好的PCB将通过电路板增强从设备到环境的热传递。为了保持可接受的结温度，同时通过组件外壳，降低结到环境的热阻，通常需要通过电路板消耗一些设备功率。
标准PCB的设计通常考虑到电气性能；然而，使用热孔来提高热性能不应被忽视。
通孔的使用始于多层电路板的引入。加入小孔，以电的方式连接铜层。铜孔的热效益很快就被看到了，因为铜孔有助于将热量从铜表面层扩散到埋地层和PCB的背面。
图1.热通道的原理图
在设计PCB时，热通孔的影响是非常重要的。增强通孔的主要优点是增强了PCB的耐热性，增加了扩散效果。
两种常见的应用特别利用了热孔。在传导冷却中，传热的主要模式是从设备传导到PCB，然后进入机箱，减少扩散热阻非常有益。
同样，在LED冷却中，所有的热量必须通过PCB转移到散热器中，降低的PCB热阻可以促进整体温度降低。下
理论计算
一个标准的LED PCB为1.6 mm厚，使用FR4电介质材料，面积为270 mm2。使用标准传导方程：
其中，
l：厚度（m）
k：导热系数（w/mK）
A：面积（㎡）
计算得出，热阻为30°C/W，添加热孔将有助于减少这种热阻，我们可以用一种简化的方式来计算：
因此，总热阻是FR4和孔的等效热阻，由：
在FR4板上增加5个0.6 mm的通孔，将使其电阻从最初的30°C/W降低到2.59°C/W。
热通孔是改善电路板热设计的一个重要途径。
下面，我们举个PCB热过孔的实例，计算其等效热阻。
假设热过孔区域：10mm*10mm，厚度1.6mm，热过孔直径0.3mm。热过孔内镀铺厚度0.025mm，热过孔数量100个。计算这个热过孔区域的等效热阻及等效导热系数。
主要依据傅立叶导热定律
R=L/λ*A
这个公式在我们之前的文章出现了很多次。
其中，L为厚度，A为截面积，λ为导热系数
计算单个过孔的热阻
根据已知条件，过孔外径尺寸为0.3mm，过孔铜内径尺寸为0.25mm，那么过孔截面积计算公式：
S=π（D²-d²）/4
D为外径尺寸，d为内径尺寸；
最后计算得出S=0.02158mm²
R单=L/λ*A=0.0016/（380*0.00000002158）=195.1 ℃/W
总过孔热阻计算
那么，对于100个热过孔并联的结果（大家可以类比成电路的电阻）
R总热过孔=195.1/100 ℃/W=1.95 ℃/W
非过孔区域的等效热阻计算
R非=L/λ*A=0.0016/（0.3*0.00009293） ℃/W=57.39 ℃/W
其中，FR4导热系数取值0.3 W/m*K
组合后的热阻及导热系数
R等效=1.95*57.39/（1.95+57.39） ℃/W=1.89 ℃/W
λ等效=L/R等效*A=0.0016/（1.89*0.000095088） = 8.9 W/m*K
仿真分析
之前文章分享过关于芯片构造和热阻等仿真方法，详细内容可点击下方链接进行了解。
芯片构造、热阻基础知识与仿真方法利弊
PCB odb文档导入
PCB上相关元器件布局
有的元器件损耗较高，为了增加其散热效果，将热量尽可能传到PCB上。
此时，一般会在PCB上增加热过孔的设计， 如下图所示，
IC热过孔图（图片来源于网络）
热过孔尺寸常用有0.3mm，孔间距1mm以上，孔内镀层厚度0.025mm。
通过设置合适的过孔，有助于提高电路板的散热性能，防止电路过热。
热过孔主要给贴片功率器件导热用，因为贴片器件体积小，功率密度大，需要将热量引导至电路板的各铜层或者另一面，提高导热效率。
需要注意的是Flotherm、FloEFD等软件都有热过孔的功能，但是有些受限于版本，例如FloEFD只有2024及以上版本才可以，大家谨慎选择。
优化设计
通孔对板热阻的影响
研究热通过阵列的影响。一个10 mm x 10 mm阵列在有限元分析中建模，假设一OZ铜层。与没有通孔的PCB相比，总的热阻降低了90%（表1）。
表1.通过热阻的有限元分析模拟
一种利用一维分析来确定通过阵列的热阻的方法。以确定整体电阻，将系统分为两部分：PCB通孔和剩下的层。PCB的电导率通常为0.2 W/mK。该通道通常为铜，导热系数为380W/mK。研究发现该方法的准确性在10-30%以内；然而，它低估了整体热阻。
传导冷却应用
传导冷却是一种常见的做法，设备在恶劣环境中使用，必须密封，如军事或航空电子。图2中所示的电路板是一个典型的例子。
板的蓝色边缘显示它与底盘耦合的位置；这是系统去除热量的主要路径。这种设计说明了对高导电性PCB的需要，因为从组件产生的热量必须通过电路板移动到外边缘。
图2.典型传导冷却PCB
由于复杂的电路板的几何形状和多种变量，计算流体动力学（CFD）是优化热设计的关键。
在这个例子中，通孔的密度和阵列是不同的，组件的位置也是如此。由于处理器和内存之间的信号完整性问题，两者之间的最大间隔必须小于11 mm。
如图3所示，由于使用通孔而增加的板电导率的影响是巨大的。
如果不使用热孔，该设备产生的热量将必须沿着PCB顶部的信号铜层横向扩散，几乎完全覆盖的功率和地面层。
图3.热孔效应，CFD模拟
最初的设计结温度为110°，而更优化的设计结温度为84°。图4显示了组分分离和通孔对结温的影响。
图4.过孔密度和布局的效果
LED应用
随着设备功率的增加，LED照明的冷却是热设计领域的一个大的挑战。led不同于典型的白炽灯，因为通过辐射传递的热量很少。
相反，冷却的主要热源是将热量从连接处传导到LED的堵塞和焊料垫，并进入连接的PCB（图5）。
图5.安装在PCB上的高功率LED的横截面图
一旦热量传递到PCB，它就必须通过PCB并进入附着的散热器（图6）。由于PCB直接位于产热结和散热器之间，其热阻对器件的整体温度至关重要。
图6.LED应用中通过增强PCB的横截面
