PCB热过孔的优化设计

PCB热过孔的优化设计

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/jl573527993/article/details/140755913

随着电子设备的不断发展，高性能散热器的需求日益增长，这同时也推动了对更好PCB设计的需求。热过孔作为提高PCB热性能的重要手段，其优化设计对于提升电子设备的散热效果具有重要意义。本文将从理论分析和实际应用两个方面，深入探讨热过孔在PCB热设计中的重要作用。

热过孔的基本原理

标准PCB的设计通常更注重电气性能，而热过孔的使用则可以显著提升PCB的热性能。通孔技术最早应用于多层电路板，通过在不同铜层之间建立电气连接。由于铜的良好导热性，这些通孔不仅实现了电气连接，还促进了热量从表面层向埋层和PCB背面的扩散。

图1展示了热通道的基本原理。在设计PCB时，热过孔的影响至关重要。它们的主要优点是增强了PCB的耐热性，并提高了热量扩散效果。

热过孔对板热阻的影响

研究表明，热过孔阵列可以显著降低PCB的热阻。在一个10mm x 10mm的阵列中，通过有限元分析发现，与没有热过孔的PCB相比，总热阻降低了90%（见表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热过孔阵列热阻的方法显示，该方法的准确性在10-30%以内，但通常会低估整体热阻。

传导冷却应用

传导冷却是一种常见的散热方式，特别是在恶劣环境下的军事或航空电子设备中。图2展示了一个典型的传导冷却PCB，蓝色边缘表示与机箱的耦合位置，这是系统散热的主要路径。

由于复杂的电路板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，通过CFD模拟发现，使用热过孔可以显著降低结温。最初的设计结温为110°C，而优化后降至84°C（见图3）。

LED应用

LED照明的散热是一个重要的热设计挑战，因为LED产生的热量主要通过传导方式传递到PCB。图5展示了高功率LED在PCB上的横截面图。

一个标准的LED PCB厚度为1.6mm，使用FR4电介质材料，面积为270mm²。通过标准传导方程计算，其热阻为30°C/W。通过添加5个0.6mm的热过孔，总热阻可降低至2.59°C/W。

结论

热过孔是改善PCB热设计的重要途径。随着板密度的增加和信号完整性的要求提高，正确放置热过孔变得更具挑战性。在传统应用中，如果组件的热量主要通过外壳安装的散热器散发，热过孔可能不是必需的制造步骤。但对于需要高效散热的现代电子设备，热过孔的优化设计显得尤为重要。