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近期看到 Douglas Brooks與Johannes Adam 在 ?Signal Integrity?網(wǎng)站發(fā)表的一篇博文：Vias Are Cooler Than We Think[1] ，討論了電路板設(shè)計(jì)中過孔溫度在通過大電流時(shí)的情況，可以指導(dǎo)我們?cè)谠O(shè)計(jì)功率電路時(shí)更從容的控制電路板溫度。特別是作者得出仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果是如此接近，也更增加了我們對(duì)于電路熱仿真的興趣。

01、過孔溫度

多年以來人們很少描述電路板中過孔（via）的電流承載容量問題。我認(rèn)為這是由于沒有實(shí)際可行的辦法測(cè)量或者預(yù)測(cè)電路過孔溫度造成的。人們盲目認(rèn)為是流過過孔的電流決定了它的溫度，然后根據(jù)相同原理指導(dǎo)電路設(shè)計(jì)。電路板設(shè)計(jì)者通常采用以下三種策略來解決過孔尺寸問題：

1. 簡(jiǎn)單起見，不讓電路過孔流過大電流；將大電流引線都在單面來鋪設(shè)完成；

2. 參照 IPC-2152[2] 標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)過孔尺寸；

3. 采用一些過孔通過電流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，根據(jù)總的電流安培數(shù)值來計(jì)算需要至少多少過孔能夠承擔(dān)全部流過電流。

過孔的鍍銅的橫截面積應(yīng)該比起連接它敷銅引線橫截面積要大。如果單個(gè)過孔橫截面積小于連接引線橫截面積小，則需要使用多個(gè)過孔才能夠完成引線相同的通過電流。

02、仿真結(jié)果

1、熱仿真條件

考慮下圖所示的電路板散熱模型。電路板上下兩面具有一對(duì)導(dǎo)線。

● ?引線尺寸：
長(zhǎng)度（L）：76mm（3.0inch)
寬度（W）：0.69mm（27mil）
厚度（T）：1.5Oz（52.5um）

這對(duì)引線通過中間的過孔相連。

● ?過孔尺寸：
直徑（D）：0.26mm(10mil)
厚度（C）：1.0Oz(30um)

▲ 圖1.1 引線與過孔散熱模型（繪制與實(shí)際比例不符）

過孔鍍銅橫截面積與導(dǎo)線橫截面積大體相同。電路板的寬度比引線的寬度大幾毫米。電路板上下兩層之間絕緣板厚度為1.6mm（63mil）。在引線中中間位置放置了熱電偶模型，為什么將熱電偶放置在線路中點(diǎn)，具體原因后面解釋。

2、仿真結(jié)果

如果對(duì)于上面電路施加4.75A電流。根據(jù)散熱模型，在沒有過孔的情況下，線路的溫度為72.8攝℃；如果增加過孔，線路的溫度是72.8℃，但過孔內(nèi)部的溫度則是70.1攝氏度。

此時(shí)，你也許會(huì)有以下疑問：

1. 為什么電路過孔的溫度比引線溫度低呢？

2. 如果使用6.65A的電流，使用熱電偶模型測(cè)量線路中心位置的溫度達(dá)到了114.2℃。那么過孔中間的溫度是比線路溫度高？相同？還是低了？

3. 如果我們將引線的寬度增加到5mm（200mil），過孔尺寸不改變，施加更大電流，比如8.55A。使用TRM仿真結(jié)果顯示，線路中間的溫度為44.8℃，那么此時(shí)過孔的溫度是多少呢？（注：8.55A電流將會(huì)在1秒鐘內(nèi)融化27mil寬的線路）。

通過仿真模型顯示，在具有相同銅層橫截面積的情況下，過孔的溫度比起引線的溫度要低。其中的令人驚訝原因在IPC2152中也給出了：電路板內(nèi)層的線路比上下兩層直接暴露在空氣中的線路溫度更低！原因就是線路板導(dǎo)熱性能比起空氣更好。

由此，過孔散熱條件比引線更好，冷的更快，溫度更低，下圖顯示了仿真后電路板溫度分布情況。從焊接點(diǎn)到過孔之間，引線上最高溫度出現(xiàn)在中間位置。這就為什么選擇將熱電偶測(cè)溫點(diǎn)放置在線路的中心位置。

▲ 圖1.2 ?在通過4.75A電流情況下，電路頂層線路溫度分布仿真結(jié)果

如果將電流增加到6.65A，線路溫度增加到114.2℃，過孔的溫度始終低于線路的溫度。仿真結(jié)果顯示過孔的溫度是108.2℃。由此，可以得到如下的結(jié)論：

當(dāng)過孔鍍銅橫截面積與相連引線敷銅橫截面積相同時(shí)，通過同樣的電流，過孔的溫度是中低于引線的溫度。

如果將引線寬度增加，電流增加，但過孔尺寸保持不變呢？增加的電流當(dāng)然會(huì)引起過孔的溫度增加。但過孔溫度并沒有比引線溫度高出多少。為什么呢？

這是因?yàn)檫^孔的長(zhǎng)度相比引線的寬度要小，所以引線反而成為過孔的散熱器。使用溫度仿真軟件，可以得到此時(shí)引線的溫度為44.8℃，過孔的溫度為48.1℃，僅僅高了3.3℃。雖然過孔溫度比引線溫度高，但沒高出多少。特別是8.55A的電流，此時(shí)足以能夠融合與過孔橫截面積相同的引線了。