电路板热管理的热通孔:技术和技巧

一个经常被重复的短语是“释放一些压力”。例如，当在管理中实践变更时，我们鼓励项目团队将“发泄压力”作为管理(而不是消除)阻力的一部分。毕竟，抵抗不是徒劳的。但是，“大发雷霆”这个成语是怎么来的呢?稍微调查一下就可以发现，“blow off steam”这个词可以追溯到1857年，当时人们需要从蒸汽机的锅炉中释放蒸汽。吹掉蒸汽可以防止锅炉过热和在压力下爆炸。

在电子产品和PCB设计中，对另一种类型的管理的需求可以让设计团队在晚上熬夜工作。PCB设计的良好热管理可以防止电路板发热和设计团队在压力下爆炸。

对热管理的需求

研究表明，超过50%的电子系统故障是由失控的热量引起的。让这个统计数据花点时间，然后进行一些逻辑思考。如果我们能实施良好的热管理，我们就能显著降低电子系统故障的数量。看起来值得花点时间和精力!

热阻是两个封闭表面之间的温度差除以表面之间的总热流。热阻的大小通常取决于PCB设计因素。在使用表面贴装组件对降低热阻有积极影响，PCB上铜箔的面积和厚度以及PCB所使用的厚度和材料有更大的影响。很简单，更宽更厚的材料能散发更多的热量。然而，由于材料的标准使用和产品规格的限制存在。

您和您的设计团队应该考虑如何在设计阶段和开发PCB时实施良好的热管理实践。如果你等到PCB设计过程的后期，热管理将变得更加困难和昂贵。首先，对功率半导体、电机和其他试图模拟1857年锅炉的组件的数量进行快速盘点。

其次，使用组件库和制造商数据表中提供的信息来确定主要部件热特性．例如，氮化镓(GaN)功率器件的设计特点是封装底部有一个热垫，直接连接到模具基板上。在模具中产生的最大热量向下移动到热垫，然后传递到PCB。

然后，考虑不同的方法转移热量从你的板。对流似乎是一种“酷”的技术，因为它通过气体和液体传递热量，并使用某种类型的介质。不幸的是，将气体和液体应用到正在运行的PCB上似乎并不有效。辐射可以提供另一种冷却董事会的方法，但这种方法真的不太管用许多PCB应用．您可以选择对热组件使用铝散热器，但在整个PCB方面也存在限制。

电路板的热分析

然而，对于大多数应用来说，通过铜表面的水平热传导、通过一系列热通孔的垂直热传导和战略性放置的散热器的组合提供了最佳选择。回到GaN功率器件的例子，PCB中的铜平面作为热传导器并建立水平热传导。热通孔建立了从顶部铜到PCB底部的低热阻路径。在这一点上，该设计使用了一个附在底部铜平面上的散热器，将热量散发到环境空气中。

热通孔不仅仅是一堆热空气

热通孔是一种非常简单的孔，位于电路板表面安装的热源下，允许热传递。简单的过孔或过孔垫可以大大降低热阻。对于厚度大于0.70毫米的电路板应用，也可以直接在热焊盘下放置填充和封顶过孔。用环氧树脂填充孔并用铜盖住它可以防止焊料流动不受控制。此外，填充和盖通孔确保良好的焊接。

热通孔的数量和位置对热阻有直接影响。将通孔放置在靠近热源的位置，通过以更快的速度提高散热来降低热阻。热通孔工作在双面板上，用铜连接PCB的顶部和底部表面，或者可以连接PCB的多层。

当你设计PCB并开始使用热通孔，遵循一些快速规则。为了提高散热效果，通孔触点应增加铜层厚度。虽然您可以使用不同直径的热通孔，但最佳热导率的最佳最终直径是0.30毫米。通孔到通孔的最佳距离为0.80 mm。

过孔和适当的过孔管理可以增加电路板的散热

您可以使用模拟工具来定义热垫的尺寸和形状，以及选择最好的衬底材料来处理更大的热负载。此外，您还可以通过仿真工具分析各部件的性能，识别单板上可能存在的热点。

仿真结果可以显示出从板顶表面和下侧铜平面的热流，并说明了热阻与通孔数的关系。在PCB设计软件中使用ECAD/MCAD工具还允许您选择正确数量的热通孔，在保持PCB物理稳定性的同时提供最高散热的最佳几何图案。

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