常用的 PCB 為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，主要由基板樹脂材料和銅箔組成，信號(hào)層、電源層及地層之間等必須通過絕緣的樹脂材料進(jìn)行隔開。而實(shí)際上信號(hào)層也就是銅箔層往往非常薄，樹脂層才會(huì)占據(jù)大量空間。同時(shí)，因?yàn)闃渲牧希?FR4）的導(dǎo)熱率（～0.3 W/m. ℃）遠(yuǎn)低于銅箔（～398 W/m. ℃），因此 PCB 在厚度方向上的綜合導(dǎo)熱系數(shù)很低。通常 PCB 在平面方向上的導(dǎo)熱能力比法向方向上的導(dǎo)熱能力強(qiáng)數(shù)十倍，多數(shù)PCB厚度方向的導(dǎo)熱系數(shù)甚至低于0.5W/m.K。
我們反過來再看貼片式芯片在PCB這一側(cè)的散熱過程。當(dāng)熱量從芯片結(jié)發(fā)出，經(jīng)過熱阻較低的襯底傳輸?shù)絇CB頂面后，就需要進(jìn)入PCB。這時(shí)，如果不施加過孔，熱量在進(jìn)入PCB后，就必須經(jīng)由導(dǎo)熱性能極低的FR4才能散發(fā)到單板的背面來。這顯然非常不利于熱量的散失?；谶@一傳熱特點(diǎn)，誕生了熱過孔這一散熱強(qiáng)化手段。
熱過孔的放大截面圖如下：
當(dāng)過孔位于芯片下方時(shí)，其直接洞穿PCB，過孔孔壁材料一般是銅箔，孔內(nèi)如果填錫，則整個(gè)過孔都是有金屬組成，縱向的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)無過孔時(shí)大大提高。同時(shí)，過孔貫穿PCB板，相當(dāng)于將平面方向?qū)崧瘦^高的信號(hào)層、電源層、地層的銅箔層連接起來了，芯片自身的放熱量可以更順暢地在單板平面方向鋪展開來。因此，過孔可以大大降低底部散熱器件的溫度。下圖描述了有熱過孔的情形下，芯片在PCB側(cè)的熱量傳導(dǎo)過程。
需要注意的是，熱過孔改善的是PCB到單板側(cè)的傳熱。這樣，必須保證芯片與熱過孔之間的傳熱通路被順暢地連接起來。下圖描述了幾種不同封裝芯片低于與熱過孔之間的處理方式。例如下圖最上圖所示，當(dāng)芯片底部與PCB之間存在間隙時(shí)，需要填充相關(guān)界面材料，排出空氣，打通熱量傳輸路徑，才能有效發(fā)揮熱過孔的效能。
熱過孔有兩種鏈接方式，一種是銅線連接方式，一種是鋪銅連接方式。這兩種不同鏈接方式對(duì)器件結(jié)點(diǎn)溫度的影響也不相同。鋪銅連接方式對(duì)于散熱效果的強(qiáng)化會(huì)更好一些。另外，為進(jìn)步一加強(qiáng)散熱，如果空間允許，有必要對(duì)芯片位置處單板正反兩面的散熱焊盤鋪銅面積增加。
熱過孔的細(xì)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)包含過孔內(nèi)經(jīng)、孔間距和孔壁厚度、熱過孔的合理設(shè)計(jì)能有效改善PCB的散熱能力，同時(shí)不過度增加制板成本。用d來表示熱過孔內(nèi)徑，p表示過孔間距，t表示過孔壁厚度。研究表明，通常情況下，熱過孔的合理設(shè)計(jì)區(qū)域?yàn)閐/p>25%、t/p>2%，器件的結(jié)溫在此區(qū)域內(nèi)再增加過孔內(nèi)的密度和孔壁厚度對(duì)單板的傳熱效果仍有強(qiáng)化效果，但強(qiáng)化曲線變得平緩。通過對(duì)熱過孔的強(qiáng)化機(jī)理認(rèn)知，可指導(dǎo)合理的選擇熱過孔設(shè)計(jì)參數(shù)，從而達(dá)到有效降低器件結(jié)溫的目的。
熱過孔是除風(fēng)道設(shè)計(jì)、散熱器設(shè)計(jì)之外另一非常重要的散熱強(qiáng)化手段。尤其是對(duì)于那些貼片封裝、結(jié)板熱阻較低的芯片。對(duì)于某些尺寸很小、加裝散熱器困難的小芯片而言，熱過孔甚至可能是唯一的散熱強(qiáng)化手段。在實(shí)際的應(yīng)用中，熱過孔的設(shè)計(jì)還需要充分考慮芯片的功率密度、芯片周邊的熱源布局、芯片的具體封裝特點(diǎn)、單板內(nèi)銅層的鋪設(shè)特點(diǎn)以及芯片正面的散熱強(qiáng)化手段有關(guān)，熱設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)對(duì)其建立深刻認(rèn)知，在產(chǎn)品中視具體需求充分體現(xiàn)。
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