常用的 PCB 為多層復合結構，主要由基板樹脂材料和銅箔組成，信號層、電源層及地層之間等必須通過絕緣的樹脂材料進行隔開。而實際上信號層也就是銅箔層往往非常薄，樹脂層才會占據大量空間。同時，因為樹脂材料（ FR4）的導熱率（～0.3 W/m. ℃）遠低于銅箔（～398 W/m. ℃），因此 PCB 在厚度方向上的綜合導熱系數很低。通常 PCB 在平面方向上的導熱能力比法向方向上的導熱能力強數十倍，多數PCB厚度方向的導熱系數甚至低于0.5W/m.K。

我們反過來再看貼片式芯片在PCB這一側的散熱過程。當熱量從芯片結發出，經過熱阻較低的襯底傳輸到PCB頂面后，就需要進入PCB。這時，如果不施加過孔，熱量在進入PCB后，就必須經由導熱性能極低的FR4才能散發到單板的背面來。這顯然非常不利于熱量的散失。基于這一傳熱特點，誕生了熱過孔這一散熱強化手段。

熱過孔的放大截面圖如下：

 

當過孔位于芯片下方時，其直接洞穿PCB，過孔孔壁材料一般是銅箔，孔內如果填錫，則整個過孔都是有金屬組成，縱向的導熱系數相對無過孔時大大提高。同時，過孔貫穿PCB板，相當于將平面方向導熱率較高的信號層、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側的熱量傳導過程。

 

 需要注意的是，熱過孔改善的是PCB到單板側的傳熱。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，當芯片底部與PCB之間存在間隙時，需要填充相關界面材料，排出空氣，打通熱量傳輸路徑，才能有效發揮熱過孔的效能。

 

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器件結點溫度的影響也不相同。鋪銅連接方式對于散熱效果的強化會更好一些。另外，為進步一加強散熱，如果空間允許，有必要對芯片位置處單板正反兩面的散熱焊盤鋪銅面積增加。

熱過孔的細節參數設計包含過孔內經、孔間距和孔壁厚度、熱過孔的合理設計能有效改善PCB的散熱能力，同時不過度增加制板成本。用d來表示熱過孔內徑，p表示過孔間距，t表示過孔壁厚度。研究表明，通常情況下，熱過孔的合理設計區域為d/p>25%、t/p>2%，器件的結溫在此區域內再增加過孔內的密度和孔壁厚度對單板的傳熱效果仍有強化效果，但強化曲線變得平緩。通過對熱過孔的強化機理認知，可指導合理的選擇熱過孔設計參數，從而達到有效降低器件結溫的目的。

熱過孔是除風道設計、散熱器設計之外另一非常重要的散熱強化手段。尤其是對于那些貼片封裝、結板熱阻較低的芯片。對于某些尺寸很小、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化手段。在實際的應用中，熱過孔的設計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、單板內銅層的鋪設特點以及芯片正面的散熱強化手段有關，熱設計工程師應當對其建立深刻認知，在產品中視具體需求充分體現。

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