印刷電路板散熱過孔導熱率計算方法及優化

李增珍

摘 要： 為了對電源設備的印刷電路板（PCB）散熱過孔的導熱性能做優化提高，推導了一套理論計算公式，采用數值仿真、實驗測試的方法驗證了該公式的可靠性。通過該理論計算公式，研究了散熱過孔的孔徑、填充的材料以及過孔鍍銅厚度對導熱率的影響。研究結果顯示，過孔內孔直徑為0.45 mm為最優直徑；填充材料為FR4或者Rogers時沒有明顯的改善，但是如果用焊錫等高導熱率的材質填充時導熱率有明顯的提高；過孔鍍層厚度對導熱率的影響非常大，呈線性的增長關系。采用該結果推薦的三種散熱過孔優化方案，能使導熱率分別提高6.5%，35%及51%。

關鍵詞： 散熱過孔； 導熱率； 鍍銅厚度； 熱仿真

中圖分類號： TN305.94?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）12?0143?05

Abstract： to enhance the thermal conductivity of via hole in PCB of electrical power units， a formula was deduced to calculate the thermal conductivity of via hole. This formula was verified by both numerical simulation and experiment. With the formula， the impacts of via hole diameter， filling material and copper plating thickness on thermal conductivity are studied in this paper. The conclusions are that via hole diameter of 0.45 mm is the best value； FR4 or Rogers； filling material of the via hole can get minor benefit on thermal conductivity， but if filling with high conductivity material such as solder， the thermal conductivity is improved obviously； the plating layer thickness of via hole impacts the thermal conductivity most， which appears a liner growth relationship between the thickness and the conductivity. With the three recommend optimization methods， the thermal conductivity of via hole can increase by 6.5%， 35% and 51% respectively.

Keywords： via hole； thermal conductivity； copper plating thickness； thermal simulation.

0 引 言

在現在電源設備中大量的使用了印刷電路板 （PCB）。隨著電子技術的發展，PCB上的布線密度越來越高，使得設備的體積功率密度大大增加，散熱問題日益突出[1]。根據故障率統計，高溫是大多數電子元器件最嚴重的危害，它會直接導致元器件的失效，進而引起整個線路板的失效[2]。PCB厚度方向的導熱系數比平面內的導熱系數小得多， 為了改善厚度方向的導熱性， 可以在PCB 上設計散熱過孔（Via farm）。散熱過孔是穿透PCB 的小孔， 一般直徑為0.4～1.0 mm， 孔壁鍍銅[3]。在器件的結殼熱阻很小的時候，如MOSFET等器件，PCB的導熱性能尤其重要[4]。而目前對于散熱過孔導熱能力的優化工作很少有文獻涉及，本文旨在設計一套簡單可用的散熱過孔導熱率理論計算方法，并通過數值仿真和實驗測試予以驗證。在此基礎上，對散熱過孔導熱能力進行優化，為工程應用做指導。

1 研究對象

本文的研究對象模型的結構示意圖如圖1所示，參數數值如表1所示。為便于分析，本文中假設散熱過孔鍍層的厚度是均勻的。本文中提到的熱阻、導熱率，均指垂直于PCB板平面方向上的特性。盡管散熱過孔還可以用于遠程散熱[5]，本文只研究散熱過孔在發熱元件正下方的情況。

2 理論公式的推導與驗證

2.1 理論計算

2.1.1 散熱孔的熱阻計算

就單個散熱過孔而言，是由內圓孔（直徑為d的圓）和外圓環（厚度為[D2-d2]的鍍銅層）組成。二者是并聯的關系。

2.4 總結比較

由第2.1～2.3節，針對同一個模型，分別得到了理論計算的導熱系數[kth]為13.02，仿真得到的導熱系數[ksim]為13.57，以及實驗得到的導熱系數13.00，三者吻合的非常好。說明該理論計算是合理，在鍍銅厚度為25 μm的情況下，“散熱過孔鍍層的厚度是均勻的”這一假設是成立的。下面將只用理論公式（式（10））對散熱過孔優化分析，避免了仿真和實驗在成本和時間上的浪費。

3 散熱過孔的優化分析

為提高散熱過孔的導熱能力，結合實際的加工工藝，從以下幾個方面對不同配置的散熱過孔的導熱率進行計算，從而優化散熱孔的配置。

3.1 散熱過孔直徑對導熱率的影響

在其他條件不變的情況下，通過調整過孔內圓直徑d來得到不同的過孔配置的PCB，進行優化分析。調整的原則是：

（1） 從加工能力和實際應用的角度，過孔內圓直徑d在0.3～0.8 mm之間變化，步長為0.05 mm；

（2） 過孔鍍層工藝一定的情況下，鍍銅的厚度也是一致的，即25 μm， 因此，D會隨著d的改變而改變。

（3） 在實際PCB的加工工藝中一般過孔的邊緣到邊緣的值是固定的，取0.5 mm的邊緣間距，因此在d變化后，過孔的數量n也隨之變化。所研究的PCB的不變的參數見表3，為避免過孔個數取整而導致的誤差，我們將PCB面積加大到100 mm×100 mm。

PCB的變量見表4。通過式（10），對不同配置的過孔的PCB進行計算， 得到的結果見表4。

從表4的計算結果可以看出，模型D，內孔直徑為0.45 mm時，導熱率最高，與目前常用的0.3 mm的相比，導熱率提高了6.5%。但是整體上差別不是很大。

3.2 塞孔材料對導熱率的影響

使用表1和圖1中指定的PCB作為基準，通過改變內孔的填充材料，對導熱性能進行分析，結果見表5。美國Rogers 公司開發的復合基材RO4000系列和TMM 系列，它是在改性樹脂中添加了陶瓷粉，使其導熱系數提高到0.6～1 W/（m·℃）， 是普通環氧玻璃布類基材的3～5倍[11]，本文也用此材料塞孔做了研究。

由表5可知，盡管Rogers材料比空氣的導熱率高了32倍，但是對過孔導熱性能的提高還是可以忽略不計。而如果過孔中充滿了焊錫材料，導熱性能會有大幅的提高，理論上而言約有35%的提高。實際效果取決于焊錫是否能良好的填充滿過孔的內孔。

3.3 鍍層的厚度對導熱性能的影響

使用表1和圖1中指定的PCB作為基準，通過改變鍍層的厚度，對導熱性能進行分析。維持內孔的直徑0.3 mm，外孔邊緣到邊緣的間距越小越好，但是，在孔壁間距≤0.5 mm時，板材非常容易出現分層[12]，0.5 mm，不變，改變外孔的直徑，從而改變鍍銅的厚度。導熱率的計算結果見表6。

通過表6的計算結果可以看出，增加鍍銅的厚度，對導熱能力的提高有很大的貢獻。鍍層的厚度與PCB導熱性能是線性相關的，見圖5。雖然理論上鍍銅的厚度越厚越好，但是實際應用中，鍍層的厚度一般低于60 μm。此外，在鍍銅厚度加厚的工藝中，很難保證鍍銅的厚度是均勻的，尤其存在一些薄弱點，會形成導熱瓶頸，導致導熱系數大打折扣。因此，實際應用中需要要把鍍層的實際厚度通過一個等效系數c來做均勻化處理。比如通過選擇性鍍銅工藝[13]，鍍層厚度60 μm的工藝中，經過實際對比測試，得到的導熱系數為19.3 W/（m·K），提高了51%。在使用式（10）計算PCB的導熱率時，這與鍍層的厚度為37.8 μm所得到的導熱率相當，因此在該工藝中其等效系數0.63[37.860]。

4 結 論

本文對PCB散熱過孔垂直于PCB平面方向上的導熱率的研究有以下結論：

（1） 在常規鍍銅厚度（25 μm）的情況下，本文的理論推導式（10）與仿真結果及實驗結果吻合良好，可以用來計算散熱過孔區域的平均導熱率；

（2） 為提高散熱過孔的導熱率，可以采取以下措施：鍍層厚度對導熱性能有很大的影響，成線性遞增的關系，鍍層厚度越厚越好，使用選擇性鍍銅工藝可以使導熱系數提高51%；在鍍層厚度（25 μm）和外圓（0.5 mm）間距受工藝限制一定的情況下，推薦內孔直徑為0.45 mm，導熱率最高，導熱率能提高6.5%；塞孔與不塞孔工藝對過孔的導熱率影響，當過孔中填充了焊錫等熱的良導體后，導熱率提高35%。

參考文獻

[1] 孫簡，丁耀根，陳仲林.電子線路板熱可靠性分析方法的研究[J].電子與信息學報，2009，31（4）：1013?1016.

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[10] GRAU M， BEKIARSKI A L， VENKOV P， et al. Robot control with camera eye [C]// Proceedings of International Conference on Communications， Electromagnetics and Medical Applications. Bulgaria： [s.n.]， 2007： 21?24.

[11] 管美章.印制電路板的熱設計及其實施[J].印制電路信息，2008（4）：27?30.

[12] 張可，喬書曉.不同板材密集散熱孔耐熱性能對比與分析[J].印制電路信息，2010（z1）：551?560.

[13] AHMAD U M， BERGER D G， KUMAR A， et al. Selective plating method for forming integral via and wiring layers： US， 5，209，817 [P]. 1993?05?11.

[14] 張世欣，高進，石曉郁.印制電路板的熱設計和熱分析[J].現代電子技術，2007，30（18）：189?192.

（1） 從加工能力和實際應用的角度，過孔內圓直徑d在0.3～0.8 mm之間變化，步長為0.05 mm；

（2） 過孔鍍層工藝一定的情況下，鍍銅的厚度也是一致的，即25 μm， 因此，D會隨著d的改變而改變。

（3） 在實際PCB的加工工藝中一般過孔的邊緣到邊緣的值是固定的，取0.5 mm的邊緣間距，因此在d變化后，過孔的數量n也隨之變化。所研究的PCB的不變的參數見表3，為避免過孔個數取整而導致的誤差，我們將PCB面積加大到100 mm×100 mm。

PCB的變量見表4。通過式（10），對不同配置的過孔的PCB進行計算， 得到的結果見表4。

從表4的計算結果可以看出，模型D，內孔直徑為0.45 mm時，導熱率最高，與目前常用的0.3 mm的相比，導熱率提高了6.5%。但是整體上差別不是很大。

3.2 塞孔材料對導熱率的影響

使用表1和圖1中指定的PCB作為基準，通過改變內孔的填充材料，對導熱性能進行分析，結果見表5。美國Rogers 公司開發的復合基材RO4000系列和TMM 系列，它是在改性樹脂中添加了陶瓷粉，使其導熱系數提高到0.6～1 W/（m·℃）， 是普通環氧玻璃布類基材的3～5倍[11]，本文也用此材料塞孔做了研究。

由表5可知，盡管Rogers材料比空氣的導熱率高了32倍，但是對過孔導熱性能的提高還是可以忽略不計。而如果過孔中充滿了焊錫材料，導熱性能會有大幅的提高，理論上而言約有35%的提高。實際效果取決于焊錫是否能良好的填充滿過孔的內孔。

3.3 鍍層的厚度對導熱性能的影響

使用表1和圖1中指定的PCB作為基準，通過改變鍍層的厚度，對導熱性能進行分析。維持內孔的直徑0.3 mm，外孔邊緣到邊緣的間距越小越好，但是，在孔壁間距≤0.5 mm時，板材非常容易出現分層[12]，0.5 mm，不變，改變外孔的直徑，從而改變鍍銅的厚度。導熱率的計算結果見表6。

通過表6的計算結果可以看出，增加鍍銅的厚度，對導熱能力的提高有很大的貢獻。鍍層的厚度與PCB導熱性能是線性相關的，見圖5。雖然理論上鍍銅的厚度越厚越好，但是實際應用中，鍍層的厚度一般低于60 μm。此外，在鍍銅厚度加厚的工藝中，很難保證鍍銅的厚度是均勻的，尤其存在一些薄弱點，會形成導熱瓶頸，導致導熱系數大打折扣。因此，實際應用中需要要把鍍層的實際厚度通過一個等效系數c來做均勻化處理。比如通過選擇性鍍銅工藝[13]，鍍層厚度60 μm的工藝中，經過實際對比測試，得到的導熱系數為19.3 W/（m·K），提高了51%。在使用式（10）計算PCB的導熱率時，這與鍍層的厚度為37.8 μm所得到的導熱率相當，因此在該工藝中其等效系數0.63[37.860]。

4 結 論

本文對PCB散熱過孔垂直于PCB平面方向上的導熱率的研究有以下結論：

（1） 在常規鍍銅厚度（25 μm）的情況下，本文的理論推導式（10）與仿真結果及實驗結果吻合良好，可以用來計算散熱過孔區域的平均導熱率；

（2） 為提高散熱過孔的導熱率，可以采取以下措施：鍍層厚度對導熱性能有很大的影響，成線性遞增的關系，鍍層厚度越厚越好，使用選擇性鍍銅工藝可以使導熱系數提高51%；在鍍層厚度（25 μm）和外圓（0.5 mm）間距受工藝限制一定的情況下，推薦內孔直徑為0.45 mm，導熱率最高，導熱率能提高6.5%；塞孔與不塞孔工藝對過孔的導熱率影響，當過孔中填充了焊錫等熱的良導體后，導熱率提高35%。

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（1） 從加工能力和實際應用的角度，過孔內圓直徑d在0.3～0.8 mm之間變化，步長為0.05 mm；

（2） 過孔鍍層工藝一定的情況下，鍍銅的厚度也是一致的，即25 μm， 因此，D會隨著d的改變而改變。

（3） 在實際PCB的加工工藝中一般過孔的邊緣到邊緣的值是固定的，取0.5 mm的邊緣間距，因此在d變化后，過孔的數量n也隨之變化。所研究的PCB的不變的參數見表3，為避免過孔個數取整而導致的誤差，我們將PCB面積加大到100 mm×100 mm。

PCB的變量見表4。通過式（10），對不同配置的過孔的PCB進行計算， 得到的結果見表4。

從表4的計算結果可以看出，模型D，內孔直徑為0.45 mm時，導熱率最高，與目前常用的0.3 mm的相比，導熱率提高了6.5%。但是整體上差別不是很大。

3.2 塞孔材料對導熱率的影響

使用表1和圖1中指定的PCB作為基準，通過改變內孔的填充材料，對導熱性能進行分析，結果見表5。美國Rogers 公司開發的復合基材RO4000系列和TMM 系列，它是在改性樹脂中添加了陶瓷粉，使其導熱系數提高到0.6～1 W/（m·℃）， 是普通環氧玻璃布類基材的3～5倍[11]，本文也用此材料塞孔做了研究。

由表5可知，盡管Rogers材料比空氣的導熱率高了32倍，但是對過孔導熱性能的提高還是可以忽略不計。而如果過孔中充滿了焊錫材料，導熱性能會有大幅的提高，理論上而言約有35%的提高。實際效果取決于焊錫是否能良好的填充滿過孔的內孔。

3.3 鍍層的厚度對導熱性能的影響

使用表1和圖1中指定的PCB作為基準，通過改變鍍層的厚度，對導熱性能進行分析。維持內孔的直徑0.3 mm，外孔邊緣到邊緣的間距越小越好，但是，在孔壁間距≤0.5 mm時，板材非常容易出現分層[12]，0.5 mm，不變，改變外孔的直徑，從而改變鍍銅的厚度。導熱率的計算結果見表6。

通過表6的計算結果可以看出，增加鍍銅的厚度，對導熱能力的提高有很大的貢獻。鍍層的厚度與PCB導熱性能是線性相關的，見圖5。雖然理論上鍍銅的厚度越厚越好，但是實際應用中，鍍層的厚度一般低于60 μm。此外，在鍍銅厚度加厚的工藝中，很難保證鍍銅的厚度是均勻的，尤其存在一些薄弱點，會形成導熱瓶頸，導致導熱系數大打折扣。因此，實際應用中需要要把鍍層的實際厚度通過一個等效系數c來做均勻化處理。比如通過選擇性鍍銅工藝[13]，鍍層厚度60 μm的工藝中，經過實際對比測試，得到的導熱系數為19.3 W/（m·K），提高了51%。在使用式（10）計算PCB的導熱率時，這與鍍層的厚度為37.8 μm所得到的導熱率相當，因此在該工藝中其等效系數0.63[37.860]。

4 結 論

本文對PCB散熱過孔垂直于PCB平面方向上的導熱率的研究有以下結論：

（1） 在常規鍍銅厚度（25 μm）的情況下，本文的理論推導式（10）與仿真結果及實驗結果吻合良好，可以用來計算散熱過孔區域的平均導熱率；

（2） 為提高散熱過孔的導熱率，可以采取以下措施：鍍層厚度對導熱性能有很大的影響，成線性遞增的關系，鍍層厚度越厚越好，使用選擇性鍍銅工藝可以使導熱系數提高51%；在鍍層厚度（25 μm）和外圓（0.5 mm）間距受工藝限制一定的情況下，推薦內孔直徑為0.45 mm，導熱率最高，導熱率能提高6.5%；塞孔與不塞孔工藝對過孔的導熱率影響，當過孔中填充了焊錫等熱的良導體后，導熱率提高35%。

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