印刷电路板散热过孔导热率计算方法及优化

印刷电路板散热过孔导热率计算方法及优化 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0.45mm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?34文献标识码：A文章编号：1004?373X202112?0143?05Abstract：toenhancethethermalconductivityofviaholeinPCBofelectricalpowerunits，aformulawasdeducedtocalculatethethermalconductivityofviahole.Thisformulawasverifiedbybothnumericalsimulationandexperiment.Withtheformula，theimpactsofviaholediameter，fillingmaterialandcopperplatingthicknessonthermalconductivityarestudiedinthispaper.Theconclusionsarethatviaholediameterof0.45mmisthebestvalue；FR4orRogers；fillingmaterialoftheviaholecangetminorbenefitonthermalconductivity，butiffillingwithhighconductivitymaterialsuchassolder，thethermalconductivityisimprovedobviously；theplatinglayerthicknessofviaholeimpactsthethermalconductivitymost，whichappearsalinergrowthrelationshipbetweenthethicknessandtheconductivity.Withthethreerecommendoptimizationmethods，thethermalconductivityofviaholecanincreaseby6.5%，35%and51%respectively.Keywords：viahole；thermalconductivity；copperplatingthickness；thermalsimulation.0引言在现在电源设备中大量的使用了印刷电路板PCB。随着电子技术的开展，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Viafarm。散热过孔是穿透PCB的小孔，一般直径为0.41.0mm，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。在此根底上，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，本文中假设比较由第2.12.3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25m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，防止了仿真和实验在本钱和时间上的浪费。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。调整的原那么是：1从加工能力和实际应用的角度，过孔内圆直径d在0.30.8mm之间变化，步长为0.05mm；2过孔镀层工艺一定的情况下，镀铜的厚度也是一致的，即25m，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0.5mm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，为防止过孔个数取整而导致的误差，我们将PCB面积加大到100mm100mm。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0.45mm时，导热率最高，与目前常用的0.3mm的相比，导热率提高了6.5%。但是整体上差异不是很大。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0.61W/m，是普通环氧玻璃布类基材的35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0.3mm，外孔边缘到边缘的间距越小越好，但是，在孔壁间距0.5mm时，板材非常容易出现分层12，0.5mm，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奉献。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60m。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。比方通过选择性镀铜工艺13，镀层厚度60m的工艺中，经过实际比照测试，得到的导热系数为19.3W/mK，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37.8m所得到的导热率相当，因此在该工艺中其等效系数0.6337.860。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25m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，可以采取以下方法的研究J.电子与信息学报，2021，314：1013?1016.【2】机械电子工业部电子标准?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，20213：63?2021：87?90.【5】BARCLEYTP.Remotethermalviasfordenselypackedelectricalassemblage：US，6，770，967P.2021?08?22.8ANSYSCompany.ANSYSRelease14.5HelpEB/OL.2021?12?10. 2021：1?2021：21?24.