過(guò)孔溫度，沒(méi)有我們想象那么高
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01 過(guò)孔溫度簡(jiǎn) 介： 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] ，討論了電路板設計中過(guò)孔溫度在通過(guò)大電流時(shí)的情況，可以指導我們在設計功率電路時(shí)更從容的控制電路板溫度。特別是作者得出仿真結果與實(shí)測結果是如此接近，也更增加了我們對于電路熱仿真的興趣。
關(guān)鍵詞：PCB，過(guò)孔，溫度仿真
??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。我認為這是由于沒(méi)有實(shí)際可行的辦法測量或者預測電路過(guò)孔溫度造成的。人們盲目認為是流過(guò)過(guò)孔的電流決定了它的溫度，然后根據相同原理指導電路設計。電路板設計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(xiàn)都在單面來(lái)鋪設完成；
??2. 參照 IPC-2152[2] 標準來(lái)設計過(guò)孔尺寸；
??3. 采用一些過(guò)孔通過(guò)電流標準數值，根據總的電流安培數值來(lái)計算需要至少多少過(guò)孔能夠承擔全部流過(guò)電流。
??過(guò)孔的鍍銅的橫截面積應該比起連接它敷銅引線(xiàn)橫截面積要大。如果單個(gè)過(guò)孔橫截面積小于連接引線(xiàn)橫截面積小，則需要使用多個(gè)過(guò)孔才能夠完成引線(xiàn)相同的通過(guò)電流。
02 仿真結果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導線(xiàn)。
? ● 引線(xiàn)尺寸：
???長(cháng)度（L）：76mm（3.0inch)
???寬度（W）：0.69mm（27mil）
???厚度（T）：1.5Oz（52.5um）
??這對引線(xiàn)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(xiàn)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線(xiàn)橫截面積大體相同。電路板的寬度比引線(xiàn)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(xiàn)中中間位置放置了熱電偶模型，為什么將熱電偶放置在線(xiàn)路中點(diǎn)，具體原因后面解釋。
2、仿真結果??如果對于上面電路施加4.75A電流。根據散熱模型，在沒(méi)有過(guò)孔的情況下，線(xiàn)路的溫度為72.8攝℃；如果增加過(guò)孔，線(xiàn)路的溫度是72.8℃，但過(guò)孔內部的溫度則是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(xiàn)溫度低呢？
??2. 如果使用6.65A的電流，使用熱電偶模型測量線(xiàn)路中心位置的溫度達到了114.2℃。那么過(guò)孔中間的溫度是比線(xiàn)路溫度高？相同？還是低了？
??3. 如果我們將引線(xiàn)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仿真結果顯示，線(xiàn)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秒鐘內融化27mil寬的線(xiàn)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(xiàn)的溫度要低。其中的令人驚訝原因在IPC2152中也給出了：電路板內層的線(xiàn)路比上下兩層直接暴露在空氣中的線(xiàn)路溫度更低！原因就是線(xiàn)路板導熱性能比起空氣更好。
??由此，過(guò)孔散熱條件比引線(xiàn)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(xiàn)上最高溫度出現在中間位置。這就為什么選擇將熱電偶測溫點(diǎn)放置在線(xiàn)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(xiàn)路溫度分布仿真結果??如果將電流增加到6.65A，線(xiàn)路溫度增加到114.2℃，過(guò)孔的溫度始終低于線(xiàn)路的溫度。仿真結果顯示過(guò)孔的溫度是108.2℃。由此，可以得到如下的結論：
當過(guò)孔鍍銅橫截面積與相連引線(xiàn)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(xiàn)的溫度。
??如果將引線(xiàn)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(xiàn)溫度高出多少。為什么呢？
??這是因為過(guò)孔的長(cháng)度相比引線(xiàn)的寬度要小，所以引線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)了。
3、結論??從上面仿真結果來(lái)看，傳統的認知是錯的！電流并不是決定過(guò)孔溫度，而是決定引線(xiàn)溫度。只要引線(xiàn)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(xiàn)的條件好；
- 寬的引線(xiàn)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(xiàn)的溫度高出不了多少的。
??當然，這并不意味我們可以不對過(guò)孔采取更加穩妥的設計方案。但的確過(guò)孔不需要做到我們想象的那樣需要與引線(xiàn)具有同樣的橫截面積。
03 實(shí)驗驗證??但凡一個(gè)結論總得經(jīng)得起檢驗吧？這就來(lái)了。Hohannes和我知道需要構建一個(gè)真實(shí)的電路板來(lái)驗證上面的結論。Prototron電路板廠(chǎng)慷慨的為我們提供了測試電路板。
▲ 圖3.1 用于實(shí)驗測試相關(guān)電路部分??在前面，我們通過(guò)仿真軟件測試了兩種不同寬度引線(xiàn)，在不同電流下的溫度。下面表格中給出了仿真的數據。
▲ 圖3.2 仿真數據??在實(shí)驗電路中，我們使用了相同的電流來(lái)對不同線(xiàn)路進(jìn)行測量。測量溫度的方法使用了精密的熱電偶。具體數值見(jiàn)下面表格：
▲ 圖3.3 實(shí)驗數據??通過(guò)觀(guān)察實(shí)際的實(shí)驗數據，可以得到下面兩點(diǎn)特別的結論：
??1. 首先，6.6A的電流在27mil寬的線(xiàn)路流過(guò)時(shí)，造成過(guò)孔溫度達到了109℃，但8.6A電流流過(guò)200mil寬的線(xiàn)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(xiàn)路的溫度，而過(guò)孔則由線(xiàn)路溫度決定。
??2. 其次，實(shí)測溫度與仿真溫度在數值上非常接近。這也給予我們充分的理由相信熱仿真在預測復雜環(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
如果想要更進(jìn)一步研究的，可以看看下面的仿真軟件：
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