热通孔的有效放置如何改善PCB设计中的热管理？

在设计 PCB 时，有很多情况下我们需要为某些组件（例如线性稳压器）散热。在大多数情况下，这些设备是通用的通孔组件，因此散热器有效地将热量分布在铝区域内，并使设备保持在较冷的环境条件下。但是，如果我们谈论任何 SMD 设备，散热器是不可用的，而且大多数时候，我们必须使用覆铜技术在铜层上创建足够的散热器。现在，这可能是一种有效的解决方案，但不如单独用作 PCB 中的组件的铝散热器有效。

设计者可以有两个选择：

1. 在电路板内部使用尽可能多的铜。
2. 使用单独的散热器来补偿额外的散热。

当有可能时，许多设计师会选择第一个选项，因为它更具成本效益（如果精心设计并且额外的PCB空间不会影响PCB的尺寸）并且不会影响制造过程，因为铝制散热器需要螺丝，热密封剂，这是额外的制造工作。现在，空间有限的 PCB 可以使用顶部和底部两层，并将这两层连接起来以分配热量，并且可以用作更大面积的铜。我们都熟悉过孔。过孔是 PCB 中连接不同铜层的连接孔。这些相同的过孔可以放置在表面贴装器件的热垫下方，如果它是多层板，这允许热量从顶层传递到底层或其他层。这些被称为位于组件焊盘上的热通孔 可以减少热耗散。

热通孔的放置

散热孔的位置和尺寸差异很大，这取决于组件的类型、不同的规则和专业知识。

但一个主要规则是在加热元件正下方尽可能靠近加热源使用热通孔。然而，在散热不理想的情况下，无论元件焊盘的位置如何，热通孔也可以放置在元件的外围。在这种情况下，规则也保持不变，即将过孔放置在尽可能靠近组件外围的位置。

不同材料的导热系数

导热系数是一个关键因素，用于确定材料可以吸收多少热量。下表让您了解不同材料的导热性。借助此表，我们可以制定如何管理通孔的规则。

见下表：

材料	热导率 (W/mK)
铜	388
引线框架	277
铝	205
硅	145
SnAgCu 焊料	57.3
63Sn37Pb 材料	50
DA 环氧树脂（芯片粘接环氧树脂）	2.4
模塑料	0.7
FR4 电路板	0.35

因此，从上表可知，铝的导热性比铜差。但是，由于铝制散热器的面积更大，并且对加热的设备产生了更有效的冷却效果。但是，正如我们所看到的，如果有效地使用铜，它可以比相同面积的铝散发更多的热量。

有效的热过孔放置是在 IC 中正确使用过孔或使用传导的加热元件焊盘作为热传递方法，热量分布在多层铜之间，然后通过自由空气，散热开始使用对流方法在空气中转移。建议热通孔内径需要更小，例如 - 大约 0.35 mm。如果孔径较大，则在回流焊接过程中可能会出现吸锡不正确的焊接问题，因此需要格外小心。然而，如果需要更大的直径，热垫可能有助于弥补这一点。

放置散热过孔时要记住的关键点

在热通孔设计过程中需要注意的事项很少，主要包括以下几点：

1.外露焊盘的设计方式是热量会直接将热量从外壳传递到铜区域。焊锡作为散热片的效果不显着，因为它很薄，而且焊锡的导电性能很差。

上图显示了 U1 裸露焊盘上的热过孔。

2.对于裸焊盘封装，最大的散热发生在通过过孔到 PCB 底层，然后散发到空气中。因此，具有大面积的底层也将减少跨组件封装的散热。

3.分离受热元件并使用热过孔分布热量有助于将热量均匀分布在其他封装上。

4.散热孔是 DFN、QFN 封装上唯一的散热源，因为由于引脚分配，顶部覆铜没有最大空间。因此，要使用底层铜，增加热导率的唯一方法是使用热通孔。

U5 和 IC2 使用热通孔。IC2 使用 QFN 扁平封装，其中热通孔是唯一的可能性，因为由于元件焊盘的分布，这不包括焊接层上更大的铜面积。

5.热通孔连接设备的有效铜面积将是使用热通孔直接与组件封装连接的最大铜长度（与焊接层无关）。

6.铜平面的厚度也是导热的原因。2Oz 铜比 1.0 Oz 或 0.5Oz 铜提供更好的耐热性。

因此，这是使用热通孔的标准做法。希望本文对需要仔细考虑散热的设备的设计过程和放置过程中的许多人有所帮助。

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