PCB 設計中用於熱管理的散熱孔
1 分鐘
散熱導通孔是專門設計用來將熱量從 PCB 的一層傳遞到另一層的導通孔。這些導通孔放置在發熱元件附近，形成一條熱傳導路徑，有助於散熱並降低過熱風險。它們通常與散熱片、散熱墊或銅平面搭配使用，以提升散熱效果。它們其實就是位於印刷電路板（PCB）表面貼裝熱源元件下方的鍍通孔（PTH），用來允許熱量傳遞。
這些導通孔建立了從頂層銅到 PCB 底層的低熱阻路徑。然而，單一導通孔無法有效散熱，通常需要導通孔陣列。在電子與 PCB 設計中，對於另一種管理需求可能會讓設計團隊徹夜難眠。良好的 PCB 熱管理不僅能防止電路板過熱，也能讓設計團隊在壓力下不至於崩潰。
熱管理的必要性
有效的 PCB 熱管理可預防超過 50% 因過熱導致的電子系統故障。PCB 中的熱量通常來自高功率元件，如處理器、LED 與電源調節器。關鍵考量包括最小化熱阻，這受到銅面積、PCB 厚度與材料等因素影響。在設計初期就進行策略分析，例如分析功率元件並利用製造商數據，可確保更好的散熱效果。對流、輻射與散熱片等技術有助於將熱量從電路板轉移。主動規劃熱管理對於維持功能、降低成本並避免高效能電子設備故障至關重要。
散熱導通孔如何協助熱管理
散熱導通孔為熱量提供一條路徑，使其從這些元件移開，前往散熱能力更強的區域，例如接地平面或外部散熱片。此機制可防止局部過熱，確保穩定運作。然而，增加散熱導通孔可能會佔用寶貴的電路板空間，卻帶來有限效益。
散熱導通孔是兩層之間不載流的導通孔，目的是允許熱量從 PCB 的一層傳導到另一層。其目標是降低加熱表面相對於冷卻表面的溫度。在典型情況下，加熱表面可能是元件下方的焊墊，而冷卻表面則是 PCB 內部較深的銅平面。若散熱導通孔未連接到對面的銅表面，則效果不佳。有效的熱傳導需要一個互連結構，讓熱量在 PCB 設計中從加熱表面高效流向冷卻表面。
散熱導通孔的有效性？
所謂散熱導通孔「更有效」是什麼意思？一種解釋是，隨著更多散熱導通孔的加入，橫跨導通孔的溫度下降會減少，代表更多熱量從加熱表面被導走。我們以焊墊相對於周圍環境（或環境溫度）的絕對溫度降低來評估散熱導通孔的有效性。
但即便如此仍有問題。如我們一再強調，溫度是一個「點」概念。也就是說，溫度在焊墊或走線上會因點而異，因為所有影響溫度的因素也都是點概念。從熱分布參考圖可得出結論——若我們觀察其中一個散熱導通孔的頂部，其溫度為 50.32°C。附近另一個導通孔的溫度為 46.99°C。焊墊中心約為 50.57°C。僅幾毫米外則為 48.91°C。我們認為適當的溫度應為焊墊的最高溫度。
散熱導通孔的熱分布圖
散熱導通孔能有效降低 PCB 的熱阻，使熱量更均勻地分布在整個電路板上。然而，其效能取決於直徑、數量與鍍層厚度等因素。例如，在熱源下方聚集多個較小的散熱導通孔，通常比使用較少但較大的導通孔效果更好。
散熱導通孔的設計考量
- 尺寸與數量：小而密集的導通孔更利於散熱。
- 導通孔鍍層：較厚銅層的鍍通孔可提供更佳的熱傳導。
- 散熱墊：將散熱導通孔與散熱墊或平面搭配使用。
- 填充材料：使用填充或塞孔導通孔，防止組裝時焊料滲入。
- 擺放位置：將散熱導通孔直接置於熱源下方以達最大效率。
- 成本影響：在導通孔密度與製造限制之間取得成本效益平衡。
何時使用散熱導通孔：
散熱導通孔是位于電路板表面貼裝熱源下方的簡單孔洞，用於允許熱量傳遞。簡單的導通孔或焊盤內導通孔可大幅降低熱阻。對於厚度超過 0.70 毫米的電路板應用，也可將填充並加蓋的導通孔直接置於散熱焊墊下方。用環氧樹脂填充導通孔並以銅加蓋，可防止任何不受控制的焊料流動。此外，填充並加蓋的導通孔可確保優異的焊接效果。以下情況需要使用散熱導通孔：
- 使用高功率元件，如 LED 或 MOSFET。
- PCB 設計中元件排列密集。
- 設計中已納入散熱片或散熱墊。
- 元件運作於高溫環境，需要更先進的散熱策略。
散熱導通孔的數量與位置會直接影響熱阻。將導通孔盡量靠近熱源擺放，可透過更快散熱來降低熱阻。散熱導通孔可用於雙面板，連接 PCB 的上下銅面，也可用於連接多層板的多個層次。
如何擺放散熱導通孔陣列？
雖然可使用不同直徑的導通孔，但最佳導熱直徑為 0.30 毫米。導通孔之間的最佳間距為 0.80 毫米。在擺放導通孔陣列前，最好先確認導通孔間距，而間隙會因不同熱源元件而異。接著考慮擺放位置——導通孔應直接位於封裝底部散熱板的正下方。
當 IC 散熱板正下方的導通孔散熱不足時，可在 IC 周邊增設導通孔。這些導通孔應盡量靠近 IC 擺放。導通孔的設置——包括直徑、數量、形狀與相關參數——在不同公司間有所差異，通常遵循特定設計規範。在研究與實施過程中，務必考量這些因素並調整設計，以有效優化散熱。
您可使用模擬工具來定義散熱墊的尺寸與形狀，並選擇最適合的基材以承受更大的熱負載。此外，模擬工具也能分析元件效能，並識別電路板上的潛在熱點。模擬可顯示從電路板頂面與底面銅平面的熱流，並說明熱阻與導通孔數量之間的關係。 參閱我們關於 PCB 設計中其他類型導通孔的文章。
與其他熱管理方法比較
雖然散熱導通孔效率高，但它們通常與其他策略搭配使用，例如：
- 散熱片：外部結構可輻射熱量，但需額外組裝。
- 散熱墊：效果極佳，但會增加製造成本。
- 銅平面：可提供熱擴散，但單獨使用可能不足以應對高功率應用。
結論
散熱導通孔是 PCB 熱管理中的關鍵工具，為高功率應用提供經濟且高效的散熱解決方案。其應用可提升 PCB 可靠性、改善效能，並支援緊湊設計。在設計階段仔細考量其擺放、尺寸與數量，工程師即可確保最佳熱效能。與其他熱管理技術結合使用時，散熱導通孔對於打造適用於當今高效能電子產品的堅固 PCB 不可或缺。
在設計 PCB 並開始使用散熱導通孔時，請遵循幾項快速原則。為提升散熱效果，貫孔接點應增加銅層厚度。雖然可使用不同直徑的散熱導通孔，但最佳導熱直徑為 0.30 毫米。導通孔之間的最佳間距為 0.80 毫米。
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