PCB Thermal Relief Pad 設計指南：Spoke、散熱與焊接可靠度

您可能從來沒有手動修改過 Thermal Relief Pad 的設定。PCB 設計軟體在安裝時就已經替您選好預設 Spoke Width，而之後每一片 PCB 上的每一個 Ground Pin，可能都一直默默沿用同一個數值。

如果 Thermal Relief Pad 中保留了太多銅，烙鐵可能無法把焊點加熱到足夠溫度，最後形成冷焊，甚至在產品投入使用六個月後才發生故障。反過來，如果保留的銅太少，功率焊墊可能過熱或產生無法接受的壓降。

本指南將說明 Thermal Relief Spoke 真正的作用、不同元件適合使用哪些 Spoke 寬度與間隙、什麼情況應完全取消 Thermal Relief，以及 PCB 製造公差如何改變您原本在設計檔案中畫出的銅箔尺寸。

什麼是 Thermal Relief Pad？為什麼需要使用？

Thermal Relief Pad 與銅平面的連接原理

Thermal Relief Pad 不會使用整圈實心銅直接連接焊墊與 Copper Plane，而是透過數條較窄的銅臂進行連接。這些銅臂稱為 Spokes，而 Spoke 周圍將焊墊與銅平面隔開的無銅區域，則稱為 Air Gap 或 Anti-Pad。

從電氣角度來看，焊墊仍然與銅平面導通；但從熱傳角度來看，熱量流入大面積銅箔的速度被限制了。

可以把它想像成平底鍋的把手。把手透過一段較窄的金屬結構與鍋體連接，這也是為什麼您能握住把手，而不會立即感受到鍋內相同的高溫。如果直接把整個把手大面積焊死在鍋體上，它就會迅速變得和鍋子本身一樣熱。

Thermal Relief Pad 上的 Spoke 就相當於這段「細頸」，只不過材料換成了銅。銅的導熱係數約為 400 W/mK，而 FR-4 約為 0.3 W/mK，因此任何大面積 Copper Pour 將熱量從焊點帶走的能力，都可能比下方 FR-4 基材高出一千倍以上。

散熱與可焊性之間的平衡

焊料只有在焊點真正超過熔點之後才會開始正常流動。含鉛 Sn63/Pb37 的熔點約為 183°C，而無鉛 SAC305 約需要 217°C，因此回流焊爐通常會將峰值溫度設定在約 235°C 至 250°C，以保留一定製程裕量。

真正重要的是焊墊本身必須達到這個溫度，而不是焊墊上方的空氣。

如果一個焊墊直接實心連接到 2 oz Ground Plane，例如市電 LED 燈泡內的驅動板，大面積銅平面會在加熱焊點時持續把熱量向周圍帶走。一支 60 W 手工烙鐵可能根本無法在這場「熱量競賽」中勝出，而波峰焊設備則只有短短數秒可以完成焊接。

因此，一個焊墊其實同時具有兩項互相衝突的需求：產品工作時應該盡快把熱量導走，但焊接時又需要把熱量暫時保留在焊點附近。而 Spoke Width 正是控制這兩項需求之間平衡的關鍵參數。

正確 Thermal Relief Pad 設計的主要優勢

高功率元件的有效熱管理

有一點可能會讓很多人感到意外：對真正需要大量散熱的高功率元件而言，最好的 Thermal Relief 設定通常是——完全不要使用 Thermal Relief。

例如 SOT-223 封裝的 AMS1117-3.3 穩壓器，或採用 TO-263 Tab 封裝的 LM2596 Buck Converter。晶片所產生的熱量只有一條主要散熱路徑：從 Silicon Die 傳入金屬 Tab，再進入 PCB 焊墊、銅平面，最後向整片 PCB 擴散。

如果在這條路徑中加入 Thermal Relief Spoke，例如把原本的實心連接切割成四條寬度只有 0.3 mm（12 mil）的銅臂，就等於移除了大量原本用來導熱的銅。

真正的設計技巧，在於判斷哪些焊墊應該使用 Thermal Relief。一般訊號腳與低電流 Ground Pin 很適合使用，因為它們通常只承載幾毫安電流，而且主要需求是容易形成穩定焊點；功率 Tab 與 Exposed Pad 則應保持實心連接，因為傳遞熱量本來就是它們的核心功能。

改善焊接品質並降低立碑風險

Tombstoning（立碑）是指小型雙端元件在回流焊過程中，其中一端被拉起，使元件垂直站立，另一端則離開焊墊，最終造成開路。

在手機充電器等高密度產品中，0402 與 0603 元件很容易出現這類缺陷，而焊墊兩側的銅箔不平衡就是重要原因之一。

例如一顆 0402 電容，其中一端連接到大面積 Ground Pour，另一端則只連接一條寬度 0.2 mm（8 mil）的走線。Ground Pour 一端連接了更多銅，因此加熱速度比較慢，焊料也比較晚熔化。

另一端的焊料會先熔化，再受到表面張力作用產生拉力，使元件旋轉並垂直站起。此時在大面積 Copper Pour 一端使用 Thermal Relief，可以讓兩側焊墊的升溫速度更加接近，降低立碑風險。

有效 Thermal Relief Pad 的設計考量

Spoke 寬度、數量與 Clearance 設定

Thermal Relief Pad 主要由三個參數決定：Spoke Width、Gap Width 與 Spoke Count。原文指出，IPC-2221B 將 0.2 mm（8 mil）視為 Spoke Width 的實際基準值，並將四條 Spoke 視為一般設計中的常見上限。

四條 Spoke 也是目前大部分 PCB Layout 工具的預設配置，通常可以作為一般設計的起點。

小型元件通常需要較窄的 Spoke 與較小的 Gap；通孔則需要較寬的 Spoke，以保留足夠銅面提供電流與機械可靠度；高電流焊墊則應避免使用 Thermal Relief。

原文指出，Altium 對多數元件的預設 Spoke／Clearance 約為 0.2 mm（8 mil），而 KiCad 的預設值則約為 0.508 mm（20 mil）。

元件類型、功率與 PCB 板厚的影響

第一步應先確認 PCB 最後會使用哪一種焊接方式。手工焊接通常是對 Thermal Relief 需求最高的情況，因為一個烙鐵頭必須與整片 Copper Plane 的吸熱能力對抗。

其次是波峰焊，每一個焊點只有數秒接觸熔融焊料。回流焊相對較溫和，因為整片 PCB 會同時被加熱，因此在純 SMD 設計中，Thermal Relief 的重要程度通常相對較低。

原文指出，一個具有四條 0.25 mm（10 mil）Spoke 的 Thermal Relief，每個焊墊可能增加約 1 至 3 mΩ 電阻。因此在 5 A 電流下，可能形成約 5 至 15 mV 壓降，並產生約 25 至 75 mW 額外熱量。

當持續電流超過約 3 A 時，建議改用實心 Direct Connect，再透過 PCB 預熱等方式解決焊接難度。

PCB 板厚也會產生類似影響。例如 2.0 mm（79 mil）厚、具有兩個內層 Plane 的 PCB，對通孔填錫來說會是比較困難的情況；1.0 mm（39 mil）雙層 PCB 則相對容易。

內層 Plane 還可能隱藏問題。某個通孔接腳在外層看起來已經使用 Thermal Relief，但仍可能在兩個內層直接實心連接到大型 Plane，最終依然大量吸走焊接熱量。

Thermal Via 與 Copper Pour 策略的配合

原文指出，針對 QFN、DFN 或 DPAK 等 Bottom-Terminated Component，IPC-7093 建議裸露散熱焊墊使用實心銅連接，並在下方配置 Via Array。

這個 Pad 是晶片主要的熱量出口，因此如果使用 Spoke，就可能直接限制整個散熱路徑。

真正負責散熱的是 Via Array，而不是 Spoke，因此必須正確設定：

1. 使用 0.25 至 0.33 mm（10 至 13 mil）鑽孔：孔徑過大時，可能在回流焊期間將錫膏向 Via 內吸走。
2. Via 間距約為 1.0 至 1.2 mm（39 至 47 mil）：依 Thermal Pad 大小不同，常見 Via Array 約包含 9 至 25 個 Via。
3. 使用 Tent、Plug 或 Fill：開放式 Via 可能讓錫膏向下流入孔內，導致上方形成空洞。
4. 依原文要求將空洞率控制在 IPC-7093 所述的 50% 以下：空洞本質上是被困住的空氣，而空氣的導熱能力非常低，因此會降低 Thermal Pad 的實際散熱效率。

Copper Pour 策略同樣重要。某個 Pin 可能在可見的頂層使用 Thermal Relief，卻在看不到的內層直接實心連接到 Plane；只要其中一個內層仍然大量導熱，就可能讓焊點變得難以加熱。

常見 Thermal Relief 設計錯誤與避免方法

Thermal Relief 過強或過弱造成焊接問題

錯誤 1：讓軟體的預設 Thermal Relief 套用到所有焊墊。

0.508 mm（20 mil）的 Spoke 對通孔連接器可能完全沒有問題，但用在 0402 元件下方就顯得過於粗大。四條寬 Spoke 加上 Clearance 可能把小型元件之間原本有限的 Copper Plane 空間全部占用。

改善方式：依照不同元件類別建立獨立的 Thermal Relief Rule。

錯誤 2：直接按照 PCB 工廠公布的最小線寬來畫 Spoke。

走線寬度公差可能達到約 ±20%，因此一條設計為 0.10 mm（4 mil）的 Spoke，實際製造後可能只剩約 0.08 mm（3 mil），甚至在蝕刻偏差較大的情況下完全被蝕掉，形成很難透過外觀發現的開路。

改善方式：設計 Spoke 時至少比 PCB 製造商公布的最低製程能力增加約 30% 裕量。

錯誤 3：在功率封裝下方的 Exposed Pad 使用 Thermal Relief。

PCB Layout 工具通常會預設將 Copper Pour Rule 套用到所有 Pad，包括 QFN 下方的散熱焊墊。如果這個 Pad 被四條窄 Spoke 限制，熱傳路徑可能明顯降低。

改善方式：將 Exposed Pad 明確設定為 Direct Connect，然後在完成 Copper Pour 後再次人工檢查。

與高電流或高頻設計整合不當

錯誤 1：為了讓組裝更容易，而對高電流焊墊使用 Thermal Relief。

Spoke 的確可以讓焊點變得更容易加熱，但同時也會增加電阻。例如在 10 A 焊墊上，如果 Thermal Relief 增加 3 mΩ 電阻，就會直接在該位置產生約 300 mW 功率損耗。

改善方式：高電流焊墊保持實心連接，再使用預熱改善手工或波峰焊製程。

錯誤 2：在高速 PCB 設計中的 Ground Via 與 Shield Pin 使用 Thermal Relief。

高速訊號的 Return Current 會沿著訊號附近返回參考平面，因此需要低電感的接地路徑。Thermal Relief 迫使 Return Current 通過四條狹窄 Spoke，反而會在原本希望降低電感的位置增加寄生電感。

改善方式：將 Ground Via 排除在 Thermal Relief Rule 之外，並對連接器接地腳以及 Shield Can Ground 使用 Direct Connect。

錯誤 3：對 RF 元件的 Ground Pad 使用 Thermal Relief。

例如 ESP32-WROOM-32 等無線模組，下方 Ground Pad 同時也是散熱路徑與 RF Reference Plane。

改善方式：任何 RF Reference Pad 都應優先視為 Direct Connect。

製造考量與品質保證

蝕刻精度、防焊對位與製程控制

Thermal Relief Spoke 往往是 PCB 上最窄的銅箔之一，因此當製程產生偏差時，它們通常也是最先受到影響的結構。

PCB 蝕刻不只會向下去除銅，也會產生一定程度的側向蝕刻。相同的尺寸損失對一條 0.15 mm（6 mil）的 Spoke 來說，占總寬度的比例會遠高於一條 1 mm（39 mil）的功率走線。

簡單來說，實際製造後收到的窄銅結構可能會比設計畫面中的尺寸更小，而焊墊周圍的 Gap 是否能保持完整，也會受到防焊對位精度影響。

驗證 Thermal Relief 性能的測試方法

確認 Thermal Relief Pad 是否真正有效，需要同時觀察焊點內部結構並量測溫度。以下六種方法可以提供實際驗證結果：

1. 焊點 Microsection：對通孔接腳進行切片分析，可以直接確認焊料沿孔壁向上填充的程度，並與 J-STD-001 的 75% 填充要求進行比較。
2. 對 Bottom-Terminated Package 進行 X-Ray：QFN 或 DPAK Thermal Pad 下方的空洞無法從 PCB 外部直接看到；原文引用 IPC-7093，將其限制在焊墊面積的 50% 以下。
3. 執行 Thermocouple Reflow Profile：在廢板上的一個 Thermal Relief Pad 與一個 Direct-Connect Pad 分別固定熱電偶，再進行回流焊。如果 Relief Pad 能更早達到熔點，就表示 Thermal Relief 的隔熱作用確實有效。
4. 在負載狀態下拍攝熱影像：如果 Thermal Camera 實測結果與模擬溫度相差超過約 10°C 至 15°C，可能代表實際銅箔熱傳路徑中存在缺失。
5. 進行 Thermal Cycling：IPC-9701 涵蓋表面黏著焊點可靠度的熱循環測試，這類測試可以暴露通孔填錫不足等結構在反覆熱應力下產生的裂紋。
6. 對每片 PCB 進行電性測試：Flying Probe 可以找到被蝕刻完全切斷的 Spoke。這種缺陷從外觀上可能看起來完全正常，但電氣上已經形成開路。

JLCPCB 在 Thermal Relief Pad 製造方面的支援

兼顧散熱與可焊性的進階 DFM 檢查

每筆 PCB 訂單在進入正式生產之前，都會經過 Design for Manufacturing（DFM）檢查。設計人員也可以在正式提交製造之前，先透過 JLCDFM 執行相關檢查。

DFM 可以標記低於製程最低能力的銅箔結構，而這正是過窄 Thermal Relief Spoke 最容易發生的失效方式。

應特別針對 Thermal Relief 幾何尺寸進行檢查。例如原文指出，在 1 oz 多層 PCB 上，如果 Spoke 低於 0.09／0.09 mm（3.5／3.5 mil）的線寬／線距能力，或在 2 oz 外層低於 0.16／0.16 mm（6.5／6.5 mil），即使自己的Design Rule Check沒有報錯，也不代表實際蝕刻製程可以可靠製造。

在正式製造之前發現這類問題幾乎不需要額外成本；如果等到 PCB 已經生產完成才發現，就可能直接損失整個批次。

適用於散熱關鍵 PCB 的可靠高品質製造

需要處理較高熱負載的 PCB，往往需要超越一般雙層 Stackup 的製造選項：原文列出的能力包括 1 至 32 層、0.4 mm 至 4.5 mm（16 mil 至 177 mil）的成品板厚，以及雙層 PCB 外層最高 4.5 oz 的銅厚。

較厚的銅可以讓相同電流透過較少或較寬的 Spoke 傳輸；某些高電流區域甚至可以完全取消 Thermal Relief，再搭配適當預熱方式完成焊接。

如果同時進行 PCB 製造與 SMT 組裝，同一片 PCB 可以直接進入組裝產線，並使用元件庫中的零件。這對 Thermal Relief 設計尤其有意義，因為設定回流焊溫度曲線的製程人員可以直接依照實際 Copper Layout 評估熱容量。

Thermal Relief Pad 常見問題

結論

理解 Thermal Relief Pad 最實用的方法，是不要把它視為「好」或「不好」的二選一，而是思考您希望最佳化 PCB 生命週期中的哪一段時間。

Thermal Relief Spoke 可以讓幾秒鐘的焊接過程更加容易，形成乾淨且可靠的焊點，但代價是產品之後數年使用期間的熱傳導能力與電流承載能力會有所下降。

對一般訊號 Pad 而言，這通常是一個非常合理的交換；但對 Power Tab、Exposed Thermal Pad 與高電流電源軌而言，就不應該犧牲熱傳與導電能力。

因此，在輸出 Gerber 之前，不要只檢查 Routing，也應仔細查看完成 Copper Pour 後的實際連接方式。大多數 Thermal Relief 設定錯誤在這個階段只需要五秒鐘就能看出來，但 PCB 生產完成後，它們可能永遠隱藏在銅層中。

當 Copper Layout 確認完成後，再透過 JLCPCB 的 DFM 檢查與製程公差控制，確保成品 PCB 上的 Spoke 能盡可能忠實反映您螢幕中的設計。