PCB散热设计实战：铜皮厚度和过孔怎么选不踩坑

我亲身测试了那种四层板, 其铜厚是2oz 的规格, 并且采用了0.3mm 的过孔方案, 在这个过程中, 踩过因铜皮过薄从而致使局部过热进而烧板的坑, 也踩过因过孔孔径太小致使焊接时堵孔然后报废的坑, 新手只要跟着步骤一步步去操作, 便能够轻松避开此类常见问题。

铜皮厚度选择决定散热上限

在进行散热设计期间, 铜皮的厚度构成了首要的检验环节, 我于初始阶段着手打造一款电源板, 依据常规的标准, 采用了1oz的铜厚, 对宽度为2mm的主功率走线予以布置, 在满载状态下持续运行10分钟以后, 走线出现发烫现象并径直发生变色。通过实际测量方才发觉, 1oz铜厚且宽度为1mm的走线仅仅能够安全承载2A的电流, 而我所设计的那条功率线运行电流达到了5A, 根本无法承受。

推荐参数：主功率回路至少2oz铜厚起步，走线宽度按每1A电流对应1mm宽度留冗余

原因十分单纯: 铜皮越厚, 横截面积越大, 单位长度的电阻越小, 发热进而已然便降低变少了。2oz铜皮比1oz少了一半的电阻, 同样电流状况下发热量直接就减半了呐哎。我之后把铜厚改成2oz, 宽度维持2mm未变, 满载时温度从100℃降到65℃, 效果立刻见到身影可见成效了。

【新手避坑】

最为经常碰到的情形是, 把gerber文件发送给板厂, 对方表示2oz铜厚得额外加钱, 新人因贪图便宜改回1oz。结果板子回来一接通电源, 铜皮就出现起泡现象。千万不要在功率线上节省成本, 2oz铜厚价格相差也就几十块钱, 报废一版板子反倒更昂贵。要是确实预算有限, 那就把走线宽度增加到3mm以上, 但绝不能低于这个下限。

过孔尺寸和数量怎么配才算够

铜皮弄好了, 不过过孔又是另外一个棘手的难题。在我进行第二次打样之际, 功率管底部用来散热的焊盘打了20个直径为0.2mm的过孔, 满心以为散热效果会极其强劲。然而在焊接的时候, 锡膏全部陷入到过孔当中, 导致芯片出现虚焊的状况。更加糟糕的是, 因为过孔的孔径实在太小, 过孔自身的电阻很大, 热量压根就传导不到底层的铜皮那里。

硬步骤：

1. 开启Altium Designer, 步入PCB界面, 点选放置-过孔, 于属性面板之中设定孔径为0.3mm, 并且外径为0.6mm, 过孔采取盖油且不塞孔的设置。

2. 于功率管散热焊盘的区域当中, 手动去放置过孔阵列, 其间距作出1.2mm的设置, 行与列要实现对齐, 焊盘里面打满起码25个。

3. 把过孔属性里的热风焊盘转变为直连处理, 需要右键点击过孔选定属性, 于热风焊盘选项当中选取“直接连接”, 不然过孔跟铜皮间呈现断开的状况连接, 不然过孔跟铜皮间所处的正是彼此断开的那种状态。

【新手避坑】

焊接之际, 发觉焊盘之上的过孔全都被锡给填满了, 芯片出现翘起的状况, 根本焊不住。内核缘由在于过孔的孔径实在太小, 当小于零26.25mm的时候, 毛细效应会把锡抽取进去。解决的办法是, 其一改为使用零26.3mm以及以上的孔径, 其二在打样之时要求板厂就做树脂来塞孔的处理措施。要是已经进行打样了, 那就只能运用高温胶带去贴住焊盘的背面, 手工焊接的时候稍微少用些锡膏。

完整报错和两种方案对比

一个极为经典的报错出现了, 板子在持续运行的过程当中, 突然间毫无预兆地断电了, 这个时候要是伸出手触摸一下功率管, 那种热度会烫得手指瞬间起泡。借助热成像仪去进行查看, 能够看到芯片底部呈现出的温度竟然达到了120℃, 然而底层铜皮所显示的温度却仅仅只有40℃。仔细探究后发现, 问题出在了过孔导热路径被阻断了, 具体而言呐, 就是过孔并没有直接与铜皮实现连接, 在它们之间隔了一层阻焊层。

一站式解决流程：

起始步骤: 开启PCB文档, 挑选全部过孔, 以右键点击, 选“相似对象”, 进一步筛出孔径为0.3mm的那些过孔。

第二步, 于属性面板当中, 把“阻焊扩展”设置为0, 以此移除过孔之上的阻焊层。

第三步: 把热风焊盘从“花焊盘”状态给其改成成为“直连”的样式, 要保证做到过孔柱体能够完全与铜皮接触。

第四步：在功率管正下方再补打15个过孔，形成密集导热阵列

两种实操方案对比：

议案A: 运用诸多小孔径的过孔（0.2mm）搭配树脂来塞孔。其出众益处是焊盘呈平整状态, 能够去安装QFN封装；而存在的不足是打孔的数量较为繁多, 板厂所收取的加工费用偏高, 并且那种小过孔自身的导热效率偏低。

方案B: 采用少量大孔径过孔（0.5mm）运用铜浆填孔。其优点为导热效率高, 能够使单个过孔带走更多热量；缺点是在焊盘上无法放置太多, 因密度受限, 适宜底部有大焊盘的TO – 220封装。

存在两种方案, 其并无绝对的好与坏之分: 要是你采用QFN封装方式, 那就选择方案A, 然而务必要让印制电路板生产厂家进行树脂塞孔操作, 不然的话焊接必定会出现问题；要是你运用TO – 220或者直插封装形式, 那么选择方案B, 以此省去打孔成本以及焊接良品率方面的风险。

此方法主要适用于常规FR4板材的PCB散热设计, 若碰到铝基板或陶瓷基板, 过孔方案全然不适用, 因铝基板自身导热系数高, 能够直接将功率管贴于铝基之上, 无需过孔导热。替代方案是用导热硅脂直接把功率管锁在铝基板表面, 省去过孔设计的繁杂。