轉換器建議的PCB Layout-散熱篇II

印刷電路板(PCB)溫度過熱往往會導致電子電路效能失效，設備的可靠度也會降低。這就是為什麼設計者需要優化印刷電路板來提高整體系統散熱，而散熱孔就是其中一個方法。本文說明通孔的功用以及建議如何配置通孔可達到更高的散熱效果。

 

​緒論

現今碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬帶隙半導體的普及，讓電源轉換器能夠實現更高工作溫度和輸出功率。因此，必須熱管理將均勻分布產生的熱能，以避免形成危險的熱點。

應用文章「轉換器建議的PCB Layout-散熱篇I」提到透過印刷電路板的通孔，增加發熱源散熱面積，再利用銅箔層散熱，達到高斜率散熱曲線，確保將每個元件保持在安全溫度範圍內，不應超過製造商數據表指定的限制溫度。但是一昧地隨處增加通孔，可能不會有明顯的散熱效果的，因此使用者需要了解通孔位置的考量。

放置通孔是表面貼裝封裝上有效降低熱阻的方式之一。熱阻與熱導率和銅箔覆蓋面積成反比，由於PCB面積小型化已成一項基本要求故沒辦法無限加大覆蓋面積，若頂層沒足夠的銅箔空間，只好利用通孔連接到底層銅箔。熱導率越大的物質其導熱效率也就越快，然而熱導率與所選材料有關，下表表示不同材料的熱導率

材料	熱導率(W/mK)
銅	395
導線架	275
矽	146
鋁	208
玻璃纖維板	0.3

PCB結構上通孔的用途為如果是單層板通孔代表PCB表層和底層的銅箔互相連接；如果是多層板通孔代表PCB連接指定層數的銅箔區域。通孔的功能是將同一層板的熱能傳遞到另一層板，也就是將熱能引導到其他層。下圖顯示兩種PCB的散熱孔例子。

 

通孔的配置

假設PCB上可以放置任意數量的通孔而不會產生額外製造成本和造成非理想效應的話，究竟放多少數量才能最大化散熱效果；另外，通孔的尺寸的大小對於散熱效果有什麼影響呢?以下將一一說明

 

1. 通孔孔徑

以常見的趨勢來看，孔徑越大，散熱效果越好，但孔徑大於一個限制值後，則散熱效果未必繼續等比例增加，而且孔徑越大時，當回流焊製程中可能發生吸錫不正確的焊接問題，因此需要格外小心。由下圖實驗結果改變內徑影響熱阻的效果，如預期所說，通孔的內徑越大，熱阻就越低，但內徑不斷逐漸加大的話，熱阻下降斜率逐漸變緩。為了最佳化散熱孔的熱導性，建議採用內徑約0.3mm-0.4mm。

 

2. 各個通孔間距離

玻璃纖維板的目的之一是增加支撐性，一旦通孔數量過多，外力施壓造成結構容易傾斜，表面不平整的問題。建議通孔到通孔的間隔距離為1.0mm-1.2mm。

由上可知通孔的內徑和數量對熱阻有直接影響。更進一步地討論通孔的位置，可以將通孔放置在盡可能靠近熱源的位置，例如發熱源的正下方或周圍，可以加快散熱速度來降低熱阻。利用熱平衡定律，通孔放在溫差越大的地方，則熱傳導效果越顯著。由圖3看出，熱源下方的通孔的頂層跟底層溫差最大，且離熱源越遠，溫差越小(ΔT1>ΔT2>ΔT3)。

 

實驗

本次實驗於不同通孔位置對電源轉換器的溫度分布影響，再分別顯示溫度差異。選用的電源轉換器規格如下

表 1 電源轉換器規格

直流轉直流電源轉換器
輸入電壓	48 Vdc
輸出電壓/電流	15 Vdc / 2.7A
操作溫度	-40~105°C
外殼溫度	Max.110°C
風速	20LFM

• 無通孔的情況

 

電源轉換器只有藉由外殼和腳位焊點作為散熱路徑，所以明顯看出PCB的高溫區域很廣，且量測溫度為30.3°C。

• 通孔位置於電源轉換器周圍遠處

 

將通孔（見圖4中藍點）放置於電源轉換器輸入輸出腳位的銅箔區域，而非控制邏輯訊號走線，以減少溫度差壓力。量測溫度為28.5°C。量測溫度相較於無通孔例子，此溫度大約降低5.9%。

• 通孔位置於電源轉換器周圍近處

 

新增相同數量的通孔於更接近電源轉換器，量測溫度為22.9°C。測得的溫度比遠通孔還要降低約19.6%。

由此實驗可得知，通孔位置離電源轉換器越近，則散熱效果越佳。

 

結論

許多電子系統故障是因失控熱量引起的，考慮將熱量從PCB轉移出去有不同方法，本篇說明設計電路板通孔的方法，遵循一些規則能更有效地降低熱阻，包含增加通孔數量、通孔孔徑以及通孔位置盡可能靠近熱源，以上解決方案可以有效地散熱並確保電子系統產品的性能和使用壽命。

 

 

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