過(guò)孔溫度，沒(méi)有我們想象那么高

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(guò)孔溫度在通過(guò)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(guò)孔溫度

多年以來(lái)人們很少描述電路板中過(guò)孔（via）的電流承載容量問(wèn)題。我認(rèn)為這是由于沒(méi)有實(shí)際可行的辦法測(cè)量或者預(yù)測(cè)電路過(guò)孔溫度造成的。人們盲目認(rèn)為是流過(guò)過(guò)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(lái)解決過(guò)孔尺寸問(wèn)題：

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

2. 參照 IPC-2152[2] 標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)過(guò)孔尺寸；

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

過(guò)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(guò)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(guò)孔才能夠完成引線相同的通過(guò)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(guò)中間的過(guò)孔相連。

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

▲ 圖1.1 引線與過(guò)孔散熱模型（繪制與實(shí)際比例不符）

過(guò)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(méi)有過(guò)孔的情況下，線路的溫度為72.8攝℃；如果增加過(guò)孔，線路的溫度是72.8℃，但過(guò)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(wèn)：

1. 為什么電路過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)仿真模型顯示，在具有相同銅層橫截面積的情況下，過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)孔的溫度始終低于線路的溫度。仿真結(jié)果顯示過(guò)孔的溫度是108.2℃。由此，可以得到如下的結(jié)論：

當(dāng)過(guò)孔鍍銅橫截面積與相連引線敷銅橫截面積相同時(shí)，通過(guò)同樣的電流，過(guò)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(guò)孔尺寸保持不變呢？增加的電流當(dāng)然會(huì)引起過(guò)孔的溫度增加。但過(guò)孔溫度并沒(méi)有比引線溫度高出多少。為什么呢？

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

3、結(jié)論

從上面仿真結(jié)果來(lái)看，傳統(tǒng)的認(rèn)知是錯(cuò)的！電流并不是決定過(guò)孔溫度，而是決定引線溫度。只要引線寬度能夠適合所流過(guò)的電流，一個(gè)普通的過(guò)孔就可以解決大電流流通電路板上下面。主要原因包括：

過(guò)孔的散熱條件比電路板表面引線的條件好；寬的引線可以為過(guò)孔提供額外的散熱；

所以一般情況下電路過(guò)孔比引線的溫度高出不了多少的。

當(dāng)然，這并不意味我們可以不對(duì)過(guò)孔采取更加穩(wěn)妥的設(shè)計(jì)方案。但的確過(guò)孔不需要做到我們想象的那樣需要與引線具有同樣的橫截面積。

03、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

但凡一個(gè)結(jié)論總得經(jīng)得起檢驗(yàn)吧？這就來(lái)了。Hohannes和我知道需要構(gòu)建一個(gè)真實(shí)的電路板來(lái)驗(yàn)證上面的結(jié)論。Prototron電路板廠慷慨的為我們提供了測(cè)試電路板。

▲ 圖3.1 ?用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試相關(guān)電路部分

在前面，我們通過(guò)仿真軟件測(cè)試了兩種不同寬度引線，在不同電流下的溫度。下面表格中給出了仿真的數(shù)據(jù)。

▲ 圖3.2 仿真數(shù)據(jù)

在實(shí)驗(yàn)電路中，我們使用了相同的電流來(lái)對(duì)不同線路進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量溫度的方法使用了精密的熱電偶。具體數(shù)值見(jiàn)下面表格：

▲ 圖3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)觀察實(shí)際的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到下面兩點(diǎn)特別的結(jié)論：

1. 首先，6.6A的電流在27mil寬的線路流過(guò)時(shí)，造成過(guò)孔溫度達(dá)到了109℃，但8.6A電流流過(guò)200mil寬的線路，則在相同的過(guò)孔產(chǎn)生44.5℃的溫度。這充分說(shuō)明電流只是決定了線路的溫度，而過(guò)孔則由線路溫度決定。

2. 其次，實(shí)測(cè)溫度與仿真溫度在數(shù)值上非常接近。這也給予我們充分的理由相信熱仿真在預(yù)測(cè)復(fù)雜環(huán)境下的溫度是可行的方法。

參考資料

[1]Vias Are Cooler Than We Think: https://www.signalintegrityjournal.com/articles/1459-vias-are-cooler-than-we-think

[2]IPC-2152: https://ninja-calc.mbedded.ninja/calculators/electronics/pcb-design/track-current-ipc2152