印刷电路板散热过孔导热率计算方法及优化

李增珍

摘 要： 为了对电源设备的印刷电路板（PCB）散热过孔的导热性能做优化提高，推导了一套理论计算公式，采用数值仿真、实验测试的方法验证了该公式的可靠性。通过该理论计算公式，研究了散热过孔的孔径、填充的材料以及过孔镀铜厚度对导热率的影响。研究结果显示，过孔内孔直径为0.45 mm为最优直径；填充材料为FR4或者Rogers时没有明显的改善，但是如果用焊锡等高导热率的材质填充时导热率有明显的提高；过孔镀层厚度对导热率的影响非常大，呈线性的增长关系。采用该结果推荐的三种散热过孔优化方案，能使导热率分别提高6.5%，35%及51%。

关键词： 散热过孔； 导热率； 镀铜厚度； 热仿真

中图分类号： TN305.94?34 文献标识码： A 文章编号： 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

在现在电源设备中大量的使用了印刷电路板 （PCB）。随着电子技术的发展，PCB上的布线密度越来越高，使得设备的体积功率密度大大增加，散热问题日益突出[1]。根据故障率统计，高温是大多数电子元器件最严重的危害，它会直接导致元器件的失效，进而引起整个线路板的失效[2]。PCB厚度方向的导热系数比平面内的导热系数小得多， 为了改善厚度方向的导热性， 可以在PCB 上设计散热过孔（Via farm）。散热过孔是穿透PCB 的小孔， 一般直径为0.4～1.0 mm， 孔壁镀铜[3]。在器件的结壳热阻很小的时候，如MOSFET等器件，PCB的导热性能尤其重要[4]。而目前对于散热过孔导热能力的优化工作很少有文献涉及，本文旨在设计一套简单可用的散热过孔导热率理论计算方法，并通过数值仿真和实验测试予以验证。在此基础上，对散热过孔导热能力进行优化，为工程应用做指导。

1 研究对象

本文的研究对象模型的结构示意图如图1所示，参数数值如表1所示。为便于分析，本文中假设散热过孔镀层的厚度是均匀的。本文中提到的热阻、导热率，均指垂直于PCB板平面方向上的特性。尽管散热过孔还可以用于远程散热[5]，本文只研究散热过孔在发热元件正下方的情况。

2 理论公式的推导与验证

2.1 理论计算

2.1.1 散热孔的热阻计算

就单个散热过孔而言，是由内圆孔（直径为d的圆）和外圆环（厚度为[D2-d2]的镀铜层）组成。二者是并联的关系。

2.4 总结比较

由第2.1～2.3节，针对同一个模型，分别得到了理论计算的导热系数[kth]为13.02，仿真得到的导热系数[ksim]为13.57，以及实验得到的导热系数13.00，三者吻合的非常好。说明该理论计算是合理，在镀铜厚度为25 μm的情况下，“散热过孔镀层的厚度是均匀的”这一假设是成立的。下面将只用理论公式（式（10））对散热过孔优化分析，避免了仿真和实验在成本和时间上的浪费。

3 散热过孔的优化分析

为提高散热过孔的导热能力，结合实际的加工工艺，从以下几个方面对不同配置的散热过孔的导热率进行计算，从而优化散热孔的配置。

3.1 散热过孔直径对导热率的影响

在其他条件不变的情况下，通过调整过孔内圆直径d来得到不同的过孔配置的PCB，进行优化分析。调整的原则是：

（1） 从加工能力和实际应用的角度，过孔内圆直径d在0.3～0.8 mm之间变化，步长为0.05 mm；

（2） 过孔镀层工艺一定的情况下，镀铜的厚度也是一致的，即25 μm， 因此，D会随着d的改变而改变。

（3） 在实际PCB的加工工艺中一般过孔的边缘到边缘的值是固定的，取0.5 mm的边缘间距，因此在d变化后，过孔的数量n也随之变化。所研究的PCB的不变的参数见表3，为避免过孔个数取整而导致的误差，我们将PCB面积加大到100 mm×100 mm。

PCB的变量见表4。通过式（10），对不同配置的过孔的PCB进行计算， 得到的结果见表4。

从表4的计算结果可以看出，模型D，内孔直径为0.45 mm时，导热率最高，与目前常用的0.3 mm的相比，导热率提高了6.5%。但是整体上差别不是很大。

3.2 塞孔材料对导热率的影响

使用表1和图1中指定的PCB作为基准，通过改变内孔的填充材料，对导热性能进行分析，结果见表5。美国Rogers 公司开发的复合基材RO4000系列和TMM 系列，它是在改性树脂中添加了陶瓷粉，使其导热系数提高到0.6～1 W/（m·℃）， 是普通环氧玻璃布类基材的3～5倍[11]，本文也用此材料塞孔做了研究。

由表5可知，尽管Rogers材料比空气的导热率高了32倍，但是对过孔导热性能的提高还是可以忽略不计。而如果过孔中充满了焊锡材料，导热性能会有大幅的提高，理论上而言约有35%的提高。实际效果取决于焊锡是否能良好的填充满过孔的内孔。

3.3 镀层的厚度对导热性能的影响

使用表1和图1中指定的PCB作为基准，通过改变镀层的厚度，对导热性能进行分析。维持内孔的直径0.3 mm，外孔边缘到边缘的间距越小越好，但是，在孔壁间距≤0.5 mm时，板材非常容易出现分层[12]，0.5 mm，不变，改变外孔的直径，从而改变镀铜的厚度。导热率的计算结果见表6。

通过表6的计算结果可以看出，增加镀铜的厚度，对导热能力的提高有很大的贡献。镀层的厚度与PCB导热性能是线性相关的，见图5。虽然理论上镀铜的厚度越厚越好，但是实际应用中，镀层的厚度一般低于60 μm。此外，在镀铜厚度加厚的工艺中，很难保证镀铜的厚度是均匀的，尤其存在一些薄弱点，会形成导热瓶颈，导致导热系数大打折扣。因此，实际应用中需要要把镀层的实际厚度通过一个等效系数c来做均匀化处理。比如通过选择性镀铜工艺[13]，镀层厚度60 μm的工艺中，经过实际对比测试，得到的导热系数为19.3 W/（m·K），提高了51%。在使用式（10）计算PCB的导热率时，这与镀层的厚度为37.8 μm所得到的导热率相当，因此在该工艺中其等效系数0.63[37.860]。

4 结 论

本文对PCB散热过孔垂直于PCB平面方向上的导热率的研究有以下结论：

（1） 在常规镀铜厚度（25 μm）的情况下，本文的理论推导式（10）与仿真结果及实验结果吻合良好，可以用来计算散热过孔区域的平均导热率；

（2） 为提高散热过孔的导热率，可以采取以下措施：镀层厚度对导热性能有很大的影响，成线性递增的关系，镀层厚度越厚越好，使用选择性镀铜工艺可以使导热系数提高51%；在镀层厚度（25 μm）和外圆（0.5 mm）间距受工艺限制一定的情况下，推荐内孔直径为0.45 mm，导热率最高，导热率能提高6.5%；塞孔与不塞孔工艺对过孔的导热率影响，当过孔中填充了焊锡等热的良导体后，导热率提高35%。

参考文献

[1] 孙简，丁耀根，陈仲林.电子线路板热可靠性分析方法的研究[J].电子与信息学报，2009，31（4）：1013?1016.

[2] 机械电子工业部电子标准化研究所.GJB/Z27?92 电子设备可靠性热设计手册[S].北京：国防科学技术工业委员会，1992.

[3] 王艾戎，龚莹.印制线路板的散热设计[J].电子元器件应用，2003（3）：63?65.

[4] ANDONOVA A， KAFADAROVA N. Application of the CFD method for heat transfer simulation [C]// Proceedings of the ICEST， Macedonia： [s.n.]， 2007： 87?90.

[5] BARCLEY T P. Remote thermal vias for densely packed electrical assemblage： US， 6，770，967 [P]. 2004?08?03.

[6] 谢德仁.电子设备热设计[M].南京：东南大学出版社，1989.

[7] LEMCZYK T F， MACK B， CULHAM J R， et al. PCB trace thermal analysis and effective conductivity [C]// Proceedings of Seventh Annual IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium. [S.l.]： IEEE， 1991： 15?22.

[8] ANSYS Company. ANSYS Release 14.5 Help [EB/OL]. [2012?12?10]. http：//www.ansys.com.

[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.

[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.印制电路板的热设计及其实施[J].印制电路信息，2008（4）：27?30.

[12] 张可，乔书晓.不同板材密集散热孔耐热性能对比与分析[J].印制电路信息，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] 张世欣，高进，石晓郁.印制电路板的热设计和热分析[J].现代电子技术，2007，30（18）：189?192.

（1） 从加工能力和实际应用的角度，过孔内圆直径d在0.3～0.8 mm之间变化，步长为0.05 mm；

（2） 过孔镀层工艺一定的情况下，镀铜的厚度也是一致的，即25 μm， 因此，D会随着d的改变而改变。

（3） 在实际PCB的加工工艺中一般过孔的边缘到边缘的值是固定的，取0.5 mm的边缘间距，因此在d变化后，过孔的数量n也随之变化。所研究的PCB的不变的参数见表3，为避免过孔个数取整而导致的误差，我们将PCB面积加大到100 mm×100 mm。

PCB的变量见表4。通过式（10），对不同配置的过孔的PCB进行计算， 得到的结果见表4。

从表4的计算结果可以看出，模型D，内孔直径为0.45 mm时，导热率最高，与目前常用的0.3 mm的相比，导热率提高了6.5%。但是整体上差别不是很大。

3.2 塞孔材料对导热率的影响

使用表1和图1中指定的PCB作为基准，通过改变内孔的填充材料，对导热性能进行分析，结果见表5。美国Rogers 公司开发的复合基材RO4000系列和TMM 系列，它是在改性树脂中添加了陶瓷粉，使其导热系数提高到0.6～1 W/（m·℃）， 是普通环氧玻璃布类基材的3～5倍[11]，本文也用此材料塞孔做了研究。

由表5可知，尽管Rogers材料比空气的导热率高了32倍，但是对过孔导热性能的提高还是可以忽略不计。而如果过孔中充满了焊锡材料，导热性能会有大幅的提高，理论上而言约有35%的提高。实际效果取决于焊锡是否能良好的填充满过孔的内孔。

3.3 镀层的厚度对导热性能的影响

使用表1和图1中指定的PCB作为基准，通过改变镀层的厚度，对导热性能进行分析。维持内孔的直径0.3 mm，外孔边缘到边缘的间距越小越好，但是，在孔壁间距≤0.5 mm时，板材非常容易出现分层[12]，0.5 mm，不变，改变外孔的直径，从而改变镀铜的厚度。导热率的计算结果见表6。

通过表6的计算结果可以看出，增加镀铜的厚度，对导热能力的提高有很大的贡献。镀层的厚度与PCB导热性能是线性相关的，见图5。虽然理论上镀铜的厚度越厚越好，但是实际应用中，镀层的厚度一般低于60 μm。此外，在镀铜厚度加厚的工艺中，很难保证镀铜的厚度是均匀的，尤其存在一些薄弱点，会形成导热瓶颈，导致导热系数大打折扣。因此，实际应用中需要要把镀层的实际厚度通过一个等效系数c来做均匀化处理。比如通过选择性镀铜工艺[13]，镀层厚度60 μm的工艺中，经过实际对比测试，得到的导热系数为19.3 W/（m·K），提高了51%。在使用式（10）计算PCB的导热率时，这与镀层的厚度为37.8 μm所得到的导热率相当，因此在该工艺中其等效系数0.63[37.860]。

4 结 论

本文对PCB散热过孔垂直于PCB平面方向上的导热率的研究有以下结论：

（1） 在常规镀铜厚度（25 μm）的情况下，本文的理论推导式（10）与仿真结果及实验结果吻合良好，可以用来计算散热过孔区域的平均导热率；

（2） 为提高散热过孔的导热率，可以采取以下措施：镀层厚度对导热性能有很大的影响，成线性递增的关系，镀层厚度越厚越好，使用选择性镀铜工艺可以使导热系数提高51%；在镀层厚度（25 μm）和外圆（0.5 mm）间距受工艺限制一定的情况下，推荐内孔直径为0.45 mm，导热率最高，导热率能提高6.5%；塞孔与不塞孔工艺对过孔的导热率影响，当过孔中填充了焊锡等热的良导体后，导热率提高35%。

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（1） 从加工能力和实际应用的角度，过孔内圆直径d在0.3～0.8 mm之间变化，步长为0.05 mm；

（2） 过孔镀层工艺一定的情况下，镀铜的厚度也是一致的，即25 μm， 因此，D会随着d的改变而改变。

（3） 在实际PCB的加工工艺中一般过孔的边缘到边缘的值是固定的，取0.5 mm的边缘间距，因此在d变化后，过孔的数量n也随之变化。所研究的PCB的不变的参数见表3，为避免过孔个数取整而导致的误差，我们将PCB面积加大到100 mm×100 mm。

PCB的变量见表4。通过式（10），对不同配置的过孔的PCB进行计算， 得到的结果见表4。

从表4的计算结果可以看出，模型D，内孔直径为0.45 mm时，导热率最高，与目前常用的0.3 mm的相比，导热率提高了6.5%。但是整体上差别不是很大。

3.2 塞孔材料对导热率的影响

使用表1和图1中指定的PCB作为基准，通过改变内孔的填充材料，对导热性能进行分析，结果见表5。美国Rogers 公司开发的复合基材RO4000系列和TMM 系列，它是在改性树脂中添加了陶瓷粉，使其导热系数提高到0.6～1 W/（m·℃）， 是普通环氧玻璃布类基材的3～5倍[11]，本文也用此材料塞孔做了研究。

由表5可知，尽管Rogers材料比空气的导热率高了32倍，但是对过孔导热性能的提高还是可以忽略不计。而如果过孔中充满了焊锡材料，导热性能会有大幅的提高，理论上而言约有35%的提高。实际效果取决于焊锡是否能良好的填充满过孔的内孔。

3.3 镀层的厚度对导热性能的影响

使用表1和图1中指定的PCB作为基准，通过改变镀层的厚度，对导热性能进行分析。维持内孔的直径0.3 mm，外孔边缘到边缘的间距越小越好，但是，在孔壁间距≤0.5 mm时，板材非常容易出现分层[12]，0.5 mm，不变，改变外孔的直径，从而改变镀铜的厚度。导热率的计算结果见表6。

通过表6的计算结果可以看出，增加镀铜的厚度，对导热能力的提高有很大的贡献。镀层的厚度与PCB导热性能是线性相关的，见图5。虽然理论上镀铜的厚度越厚越好，但是实际应用中，镀层的厚度一般低于60 μm。此外，在镀铜厚度加厚的工艺中，很难保证镀铜的厚度是均匀的，尤其存在一些薄弱点，会形成导热瓶颈，导致导热系数大打折扣。因此，实际应用中需要要把镀层的实际厚度通过一个等效系数c来做均匀化处理。比如通过选择性镀铜工艺[13]，镀层厚度60 μm的工艺中，经过实际对比测试，得到的导热系数为19.3 W/（m·K），提高了51%。在使用式（10）计算PCB的导热率时，这与镀层的厚度为37.8 μm所得到的导热率相当，因此在该工艺中其等效系数0.63[37.860]。

4 结 论

本文对PCB散热过孔垂直于PCB平面方向上的导热率的研究有以下结论：

（1） 在常规镀铜厚度（25 μm）的情况下，本文的理论推导式（10）与仿真结果及实验结果吻合良好，可以用来计算散热过孔区域的平均导热率；

（2） 为提高散热过孔的导热率，可以采取以下措施：镀层厚度对导热性能有很大的影响，成线性递增的关系，镀层厚度越厚越好，使用选择性镀铜工艺可以使导热系数提高51%；在镀层厚度（25 μm）和外圆（0.5 mm）间距受工艺限制一定的情况下，推荐内孔直径为0.45 mm，导热率最高，导热率能提高6.5%；塞孔与不塞孔工艺对过孔的导热率影响，当过孔中填充了焊锡等热的良导体后，导热率提高35%。

参考文献

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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.

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