李增珍

摘 要： 為了對(duì)電源設(shè)備的印刷電路板（PCB）散熱過(guò)孔的導(dǎo)熱性能做優(yōu)化提高，推導(dǎo)了一套理論計(jì)算公式，采用數(shù)值仿真、實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法驗(yàn)證了該公式的可靠性。通過(guò)該理論計(jì)算公式，研究了散熱過(guò)孔的孔徑、填充的材料以及過(guò)孔鍍銅厚度對(duì)導(dǎo)熱率的影響。研究結(jié)果顯示，過(guò)孔內(nèi)孔直徑為0.45 mm為最優(yōu)直徑；填充材料為FR4或者Rogers時(shí)沒(méi)有明顯的改善，但是如果用焊錫等高導(dǎo)熱率的材質(zhì)填充時(shí)導(dǎo)熱率有明顯的提高；過(guò)孔鍍層厚度對(duì)導(dǎo)熱率的影響非常大，呈線性的增長(zhǎng)關(guān)系。采用該結(jié)果推薦的三種散熱過(guò)孔優(yōu)化方案，能使導(dǎo)熱率分別提高6.5%，35%及51%。

關(guān)鍵詞： 散熱過(guò)孔； 導(dǎo)熱率； 鍍銅厚度； 熱仿真

中圖分類(lèi)號(hào)： TN305.94?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(xiàn)在電源設(shè)備中大量的使用了印刷電路板 （PCB）。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，PCB上的布線密度越來(lái)越高，使得設(shè)備的體積功率密度大大增加，散熱問(wèn)題日益突出[1]。根據(jù)故障率統(tǒng)計(jì)，高溫是大多數(shù)電子元器件最嚴(yán)重的危害，它會(huì)直接導(dǎo)致元器件的失效，進(jìn)而引起整個(gè)線路板的失效[2]。PCB厚度方向的導(dǎo)熱系數(shù)比平面內(nèi)的導(dǎo)熱系數(shù)小得多， 為了改善厚度方向的導(dǎo)熱性， 可以在PCB 上設(shè)計(jì)散熱過(guò)孔（Via farm）。散熱過(guò)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(jié)殼熱阻很小的時(shí)候，如MOSFET等器件，PCB的導(dǎo)熱性能尤其重要[4]。而目前對(duì)于散熱過(guò)孔導(dǎo)熱能力的優(yōu)化工作很少有文獻(xiàn)涉及，本文旨在設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)單可用的散熱過(guò)孔導(dǎo)熱率理論計(jì)算方法，并通過(guò)數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試予以驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，對(duì)散熱過(guò)孔導(dǎo)熱能力進(jìn)行優(yōu)化，為工程應(yīng)用做指導(dǎo)。

1 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象模型的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，參數(shù)數(shù)值如表1所示。為便于分析，本文中假設(shè)散熱過(guò)孔鍍層的厚度是均勻的。本文中提到的熱阻、導(dǎo)熱率，均指垂直于PCB板平面方向上的特性。盡管散熱過(guò)孔還可以用于遠(yuǎn)程散熱[5]，本文只研究散熱過(guò)孔在發(fā)熱元件正下方的情況。

2 理論公式的推導(dǎo)與驗(yàn)證

2.1 理論計(jì)算

2.1.1 散熱孔的熱阻計(jì)算

就單個(gè)散熱過(guò)孔而言，是由內(nèi)圓孔（直徑為d的圓）和外圓環(huán)（厚度為[D2-d2]的鍍銅層）組成。二者是并聯(lián)的關(guān)系。

2.4 總結(jié)比較

由第2.1～2.3節(jié)，針對(duì)同一個(gè)模型，分別得到了理論計(jì)算的導(dǎo)熱系數(shù)[kth]為13.02，仿真得到的導(dǎo)熱系數(shù)[ksim]為13.57，以及實(shí)驗(yàn)得到的導(dǎo)熱系數(shù)13.00，三者吻合的非常好。說(shuō)明該理論計(jì)算是合理，在鍍銅厚度為25 μm的情況下，“散熱過(guò)孔鍍層的厚度是均勻的”這一假設(shè)是成立的。下面將只用理論公式（式（10））對(duì)散熱過(guò)孔優(yōu)化分析，避免了仿真和實(shí)驗(yàn)在成本和時(shí)間上的浪費(fèi)。

3 散熱過(guò)孔的優(yōu)化分析

為提高散熱過(guò)孔的導(dǎo)熱能力，結(jié)合實(shí)際的加工工藝，從以下幾個(gè)方面對(duì)不同配置的散熱過(guò)孔的導(dǎo)熱率進(jìn)行計(jì)算，從而優(yōu)化散熱孔的配置。

3.1 散熱過(guò)孔直徑對(duì)導(dǎo)熱率的影響

在其他條件不變的情況下，通過(guò)調(diào)整過(guò)孔內(nèi)圓直徑d來(lái)得到不同的過(guò)孔配置的PCB，進(jìn)行優(yōu)化分析。調(diào)整的原則是：

（1） 從加工能力和實(shí)際應(yīng)用的角度，過(guò)孔內(nèi)圓直徑d在0.3～0.8 mm之間變化，步長(zhǎng)為0.05 mm；

（2） 過(guò)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(huì)隨著d的改變而改變。

（3） 在實(shí)際PCB的加工工藝中一般過(guò)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(guò)孔的數(shù)量n也隨之變化。所研究的PCB的不變的參數(shù)見(jiàn)表3，為避免過(guò)孔個(gè)數(shù)取整而導(dǎo)致的誤差，我們將PCB面積加大到100 mm×100 mm。

PCB的變量見(jiàn)表4。通過(guò)式（10），對(duì)不同配置的過(guò)孔的PCB進(jìn)行計(jì)算， 得到的結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4的計(jì)算結(jié)果可以看出，模型D，內(nèi)孔直徑為0.45 mm時(shí)，導(dǎo)熱率最高，與目前常用的0.3 mm的相比，導(dǎo)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(duì)導(dǎo)熱率的影響

使用表1和圖1中指定的PCB作為基準(zhǔn)，通過(guò)改變內(nèi)孔的填充材料，對(duì)導(dǎo)熱性能進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表5。美國(guó)Rogers 公司開(kāi)發(fā)的復(fù)合基材RO4000系列和TMM 系列，它是在改性樹(shù)脂中添加了陶瓷粉，使其導(dǎo)熱系數(shù)提高到0.6～1 W/（m·℃）， 是普通環(huán)氧玻璃布類(lèi)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(dǎo)熱率高了32倍，但是對(duì)過(guò)孔導(dǎo)熱性能的提高還是可以忽略不計(jì)。而如果過(guò)孔中充滿了焊錫材料，導(dǎo)熱性能會(huì)有大幅的提高，理論上而言約有35%的提高。實(shí)際效果取決于焊錫是否能良好的填充滿過(guò)孔的內(nèi)孔。

3.3 鍍層的厚度對(duì)導(dǎo)熱性能的影響

使用表1和圖1中指定的PCB作為基準(zhǔn)，通過(guò)改變鍍層的厚度，對(duì)導(dǎo)熱性能進(jìn)行分析。維持內(nèi)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(shí)，板材非常容易出現(xiàn)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(dǎo)熱率的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

通過(guò)表6的計(jì)算結(jié)果可以看出，增加鍍銅的厚度，對(duì)導(dǎo)熱能力的提高有很大的貢獻(xiàn)。鍍層的厚度與PCB導(dǎo)熱性能是線性相關(guān)的，見(jiàn)圖5。雖然理論上鍍銅的厚度越厚越好，但是實(shí)際應(yīng)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(diǎn)，會(huì)形成導(dǎo)熱瓶頸，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)大打折扣。因此，實(shí)際應(yīng)用中需要要把鍍層的實(shí)際厚度通過(guò)一個(gè)等效系數(shù)c來(lái)做均勻化處理。比如通過(guò)選擇性鍍銅工藝[13]，鍍層厚度60 μm的工藝中，經(jīng)過(guò)實(shí)際對(duì)比測(cè)試，得到的導(dǎo)熱系數(shù)為19.3 W/（m·K），提高了51%。在使用式（10）計(jì)算PCB的導(dǎo)熱率時(shí)，這與鍍層的厚度為37.8 μm所得到的導(dǎo)熱率相當(dāng)，因此在該工藝中其等效系數(shù)0.63[37.860]。

4 結(jié) 論

本文對(duì)PCB散熱過(guò)孔垂直于PCB平面方向上的導(dǎo)熱率的研究有以下結(jié)論：

（1） 在常規(guī)鍍銅厚度（25 μm）的情況下，本文的理論推導(dǎo)式（10）與仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，可以用來(lái)計(jì)算散熱過(guò)孔區(qū)域的平均導(dǎo)熱率；

（2） 為提高散熱過(guò)孔的導(dǎo)熱率，可以采取以下措施：鍍層厚度對(duì)導(dǎo)熱性能有很大的影響，成線性遞增的關(guān)系，鍍層厚度越厚越好，使用選擇性鍍銅工藝可以使導(dǎo)熱系數(shù)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(nèi)孔直徑為0.45 mm，導(dǎo)熱率最高，導(dǎo)熱率能提高6.5%；塞孔與不塞孔工藝對(duì)過(guò)孔的導(dǎo)熱率影響，當(dāng)過(guò)孔中填充了焊錫等熱的良導(dǎo)體后，導(dǎo)熱率提高35%。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫簡(jiǎn)，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(xué)報(bào)，2009，31（4）：1013?1016.

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[14] 張世欣，高進(jìn)，石曉郁.印制電路板的熱設(shè)計(jì)和熱分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（18）：189?192.

（1） 從加工能力和實(shí)際應(yīng)用的角度，過(guò)孔內(nèi)圓直徑d在0.3～0.8 mm之間變化，步長(zhǎng)為0.05 mm；

（2） 過(guò)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(huì)隨著d的改變而改變。

（3） 在實(shí)際PCB的加工工藝中一般過(guò)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(guò)孔的數(shù)量n也隨之變化。所研究的PCB的不變的參數(shù)見(jiàn)表3，為避免過(guò)孔個(gè)數(shù)取整而導(dǎo)致的誤差，我們將PCB面積加大到100 mm×100 mm。

PCB的變量見(jiàn)表4。通過(guò)式（10），對(duì)不同配置的過(guò)孔的PCB進(jìn)行計(jì)算， 得到的結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4的計(jì)算結(jié)果可以看出，模型D，內(nèi)孔直徑為0.45 mm時(shí)，導(dǎo)熱率最高，與目前常用的0.3 mm的相比，導(dǎo)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(duì)導(dǎo)熱率的影響

使用表1和圖1中指定的PCB作為基準(zhǔn)，通過(guò)改變內(nèi)孔的填充材料，對(duì)導(dǎo)熱性能進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表5。美國(guó)Rogers 公司開(kāi)發(fā)的復(fù)合基材RO4000系列和TMM 系列，它是在改性樹(shù)脂中添加了陶瓷粉，使其導(dǎo)熱系數(shù)提高到0.6～1 W/（m·℃）， 是普通環(huán)氧玻璃布類(lèi)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(dǎo)熱率高了32倍，但是對(duì)過(guò)孔導(dǎo)熱性能的提高還是可以忽略不計(jì)。而如果過(guò)孔中充滿了焊錫材料，導(dǎo)熱性能會(huì)有大幅的提高，理論上而言約有35%的提高。實(shí)際效果取決于焊錫是否能良好的填充滿過(guò)孔的內(nèi)孔。

3.3 鍍層的厚度對(duì)導(dǎo)熱性能的影響

使用表1和圖1中指定的PCB作為基準(zhǔn)，通過(guò)改變鍍層的厚度，對(duì)導(dǎo)熱性能進(jìn)行分析。維持內(nèi)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(shí)，板材非常容易出現(xiàn)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(dǎo)熱率的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

通過(guò)表6的計(jì)算結(jié)果可以看出，增加鍍銅的厚度，對(duì)導(dǎo)熱能力的提高有很大的貢獻(xiàn)。鍍層的厚度與PCB導(dǎo)熱性能是線性相關(guān)的，見(jiàn)圖5。雖然理論上鍍銅的厚度越厚越好，但是實(shí)際應(yīng)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(diǎn)，會(huì)形成導(dǎo)熱瓶頸，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)大打折扣。因此，實(shí)際應(yīng)用中需要要把鍍層的實(shí)際厚度通過(guò)一個(gè)等效系數(shù)c來(lái)做均勻化處理。比如通過(guò)選擇性鍍銅工藝[13]，鍍層厚度60 μm的工藝中，經(jīng)過(guò)實(shí)際對(duì)比測(cè)試，得到的導(dǎo)熱系數(shù)為19.3 W/（m·K），提高了51%。在使用式（10）計(jì)算PCB的導(dǎo)熱率時(shí)，這與鍍層的厚度為37.8 μm所得到的導(dǎo)熱率相當(dāng)，因此在該工藝中其等效系數(shù)0.63[37.860]。

4 結(jié) 論

本文對(duì)PCB散熱過(guò)孔垂直于PCB平面方向上的導(dǎo)熱率的研究有以下結(jié)論：

（1） 在常規(guī)鍍銅厚度（25 μm）的情況下，本文的理論推導(dǎo)式（10）與仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，可以用來(lái)計(jì)算散熱過(guò)孔區(qū)域的平均導(dǎo)熱率；

（2） 為提高散熱過(guò)孔的導(dǎo)熱率，可以采取以下措施：鍍層厚度對(duì)導(dǎo)熱性能有很大的影響，成線性遞增的關(guān)系，鍍層厚度越厚越好，使用選擇性鍍銅工藝可以使導(dǎo)熱系數(shù)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(nèi)孔直徑為0.45 mm，導(dǎo)熱率最高，導(dǎo)熱率能提高6.5%；塞孔與不塞孔工藝對(duì)過(guò)孔的導(dǎo)熱率影響，當(dāng)過(guò)孔中填充了焊錫等熱的良導(dǎo)體后，導(dǎo)熱率提高35%。

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[9] ANDONOVA A， KAFADAROVA N， VIDEKOV V， et al. Investigation of thermal conductivity of PCB [C]// Proceedings of 2009 2009 32nd International Spring Seminar on Electronics Technology. Brno， Czeh Republic： IEEE， 2009： 1?5.

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[11] 管美章.印制電路板的熱設(shè)計(jì)及其實(shí)施[J].印制電路信息，2008（4）：27?30.

[12] 張可，喬書(shū)曉.不同板材密集散熱孔耐熱性能對(duì)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(jìn)，石曉郁.印制電路板的熱設(shè)計(jì)和熱分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（18）：189?192.

（1） 從加工能力和實(shí)際應(yīng)用的角度，過(guò)孔內(nèi)圓直徑d在0.3～0.8 mm之間變化，步長(zhǎng)為0.05 mm；

（2） 過(guò)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(huì)隨著d的改變而改變。

（3） 在實(shí)際PCB的加工工藝中一般過(guò)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(guò)孔的數(shù)量n也隨之變化。所研究的PCB的不變的參數(shù)見(jiàn)表3，為避免過(guò)孔個(gè)數(shù)取整而導(dǎo)致的誤差，我們將PCB面積加大到100 mm×100 mm。

PCB的變量見(jiàn)表4。通過(guò)式（10），對(duì)不同配置的過(guò)孔的PCB進(jìn)行計(jì)算， 得到的結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4的計(jì)算結(jié)果可以看出，模型D，內(nèi)孔直徑為0.45 mm時(shí)，導(dǎo)熱率最高，與目前常用的0.3 mm的相比，導(dǎo)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(duì)導(dǎo)熱率的影響

使用表1和圖1中指定的PCB作為基準(zhǔn)，通過(guò)改變內(nèi)孔的填充材料，對(duì)導(dǎo)熱性能進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表5。美國(guó)Rogers 公司開(kāi)發(fā)的復(fù)合基材RO4000系列和TMM 系列，它是在改性樹(shù)脂中添加了陶瓷粉，使其導(dǎo)熱系數(shù)提高到0.6～1 W/（m·℃）， 是普通環(huán)氧玻璃布類(lèi)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(dǎo)熱率高了32倍，但是對(duì)過(guò)孔導(dǎo)熱性能的提高還是可以忽略不計(jì)。而如果過(guò)孔中充滿了焊錫材料，導(dǎo)熱性能會(huì)有大幅的提高，理論上而言約有35%的提高。實(shí)際效果取決于焊錫是否能良好的填充滿過(guò)孔的內(nèi)孔。

3.3 鍍層的厚度對(duì)導(dǎo)熱性能的影響

使用表1和圖1中指定的PCB作為基準(zhǔn)，通過(guò)改變鍍層的厚度，對(duì)導(dǎo)熱性能進(jìn)行分析。維持內(nèi)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(shí)，板材非常容易出現(xiàn)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(dǎo)熱率的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

通過(guò)表6的計(jì)算結(jié)果可以看出，增加鍍銅的厚度，對(duì)導(dǎo)熱能力的提高有很大的貢獻(xiàn)。鍍層的厚度與PCB導(dǎo)熱性能是線性相關(guān)的，見(jiàn)圖5。雖然理論上鍍銅的厚度越厚越好，但是實(shí)際應(yīng)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(diǎn)，會(huì)形成導(dǎo)熱瓶頸，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)大打折扣。因此，實(shí)際應(yīng)用中需要要把鍍層的實(shí)際厚度通過(guò)一個(gè)等效系數(shù)c來(lái)做均勻化處理。比如通過(guò)選擇性鍍銅工藝[13]，鍍層厚度60 μm的工藝中，經(jīng)過(guò)實(shí)際對(duì)比測(cè)試，得到的導(dǎo)熱系數(shù)為19.3 W/（m·K），提高了51%。在使用式（10）計(jì)算PCB的導(dǎo)熱率時(shí)，這與鍍層的厚度為37.8 μm所得到的導(dǎo)熱率相當(dāng)，因此在該工藝中其等效系數(shù)0.63[37.860]。

4 結(jié) 論

本文對(duì)PCB散熱過(guò)孔垂直于PCB平面方向上的導(dǎo)熱率的研究有以下結(jié)論：

（1） 在常規(guī)鍍銅厚度（25 μm）的情況下，本文的理論推導(dǎo)式（10）與仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，可以用來(lái)計(jì)算散熱過(guò)孔區(qū)域的平均導(dǎo)熱率；

（2） 為提高散熱過(guò)孔的導(dǎo)熱率，可以采取以下措施：鍍層厚度對(duì)導(dǎo)熱性能有很大的影響，成線性遞增的關(guān)系，鍍層厚度越厚越好，使用選擇性鍍銅工藝可以使導(dǎo)熱系數(shù)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(nèi)孔直徑為0.45 mm，導(dǎo)熱率最高，導(dǎo)熱率能提高6.5%；塞孔與不塞孔工藝對(duì)過(guò)孔的導(dǎo)熱率影響，當(dāng)過(guò)孔中填充了焊錫等熱的良導(dǎo)體后，導(dǎo)熱率提高35%。

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