1 引言

随着电子产品集成化程度越来越高，产品尺寸日益小型化，器件密度日益增大，电子产品内部电路及器件产生的热量越来越多，且日益复杂的应用环境，要求电子产品必须具有良好的散热能力。电子产品内部热量的聚积，会增加电子元器件损坏的风险，某些IC器件因温度过高可能无法正常工作。由于超温保护机制的实施，产品的性能可能会受到一定程度的影响。合理的热设计能够让产品长期处于高性能模式下工作，且不存在因超温而导致器件失效的风险。器件的失效会对用户的使用体验产生非常不利的影响。

如何将产品温度保持在满足产品可靠性的规定范围，是电子产品热设计需要考虑的重点问题。目前的电子设备热设计一般划分为系统级热设计、板级热设计和封装级热设计三个层次，分别对应设备框架、PCB产品和元器件三个层级。作为PCB产品结构设计上对电子设备散热的改善，常见的PCB产品结构设计散热优化主要有埋铜块、镶散热铝块、金属基板等方式^[1]。作为PCB产品内部设计上对电子设备散热的改善，常见的PCB产品内部设计散热优化主要有加大内部走线厚度、调整内部走线保留完成铜层、增多铜层叠层数、增大铜层厚度、增大铜层含铜量、增添过孔等方式。而PCB内部铜层以及过孔对PCB整体的导热系数优化成效显著，本文通过仿真手段研究了PCB中铜层及过孔对PCB散热的影响，为PCB热设计提供一定指导。

2 仿真分析方法

本文通过某仿真软件自身的PCB智能元件进行仿真分析。PCB模型长宽尺寸为100mm*100mm，PCB厚度尺寸为1.6mm。铜层对PCB导热系数的影响中，通过改变PCB智能元件中铜层数、铜层厚度、铜层含铜量参数，计算PCB平面方向以及垂直方向的导热系数。过孔对 PCB导热系数的影响中，通过改变PCB智能元件中固定区域的过孔数量、过孔孔铜覆铜厚度、过孔直径参数，计算PCB平面方向及垂直方向的导热系数。

3 结果与分析

3.1 PCB铜层

PCB中的铜层主要用来对PCB上各个器件进行信号连接和导电。随着散热条件逐渐苛刻，铜层设计需要兼顾一定的热扩散和热传导作用。然而由于PCB中的铜层通常非常薄，厚度一般在1~2 oz盎司（1盎司≈35μm），且铜层常常都是不规则的异形，以及PCB铜层数较少，这给热传导的理论计算和仿真研究带来很大的不便^[2]。

3.1.1 PCB铜层层数对散热的影响

元器件较大部分热量是通过PCB板散发至空气中，PCB板导热性能对元器件的温升存在较大的影响，尤其是对基于自然对流散热的元器件影响非常显著。叠层增多，PCB板厚度增加，PCB质量增加，相当于热容量增加，对元器件的散热有一定的改善。但是沿PCB板厚度方向传热路径变长，可能会削弱热量的传导，须引起注意。

当PCB总厚度保持不变（PCB厚度1.6mm）且每层铜层的厚度及含铜量均保持不变时（每层铜层厚度为0.02mm，含铜量为90%），只改变PCB铜层层数，PCB平面方向及垂直方向导热系数变化趋势如图1所示。

图1 PCB铜层层数对导热系数的影响

基于上述数据可知，PCB铜层层数的增加会增强PCB板的平面方向及垂直方向的导热系数，尤其是会显著增强PCB平面方向的导热系数，有利于热量的扩散。因此，通过增加PCB铜层层数来改善PCB板的导热能力是一种有效的措施。

3.1.2 PCB铜层厚度对散热的影响

当PCB总厚度保持不变（PCB厚度1.6mm）且铜层层数及每层铜层含铜量均保持不变时（铜层层数为8层，每层铜层含铜量为90%），只改变PCB铜层厚度，PCB平面方向及垂直方向导热系数变化趋势如图2所示。

图2 PCB铜层厚度对导热系数的影响

基于上述数据，PCB铜层厚度的增加会增强PCB板的平面方向及垂直方向的导热系数，尤其是会显著增强PCB平面方向的导热系数，有利于热量的扩散。因此，通过增加PCB铜层厚度来改善PCB板的导热能力也是一种有效的措施。

3.1.3 PCB铜层含铜量对散热的影响

当PCB总厚度保持不变（PCB厚度1.6mm）且铜层层数及每层铜层厚度均保持不变时（铜层层数为8层，每层铜层厚度为2mm），只改变PCB每层铜层含铜量，PCB平面方向及垂直方向导热系数变化趋势如图3所示。

图3 PCB铜层含铜量对导热系数的影响

基于上述数据，PCB每层铜层含铜量的增加会增强PCB板的平面方向及垂直方向的导热系数，同样会显著增强PCB平面方向的导热系数，有利于热量的扩散。因此，通过增加PCB每层铜层含铜量来改善PCB板的导热能力也是一种有效的措施。

3.2 PCB过孔

过孔分为热过孔及电气过孔。热过孔是指为改善PCB在法线方向上的热传导能力，在PCB上刻意增加的过孔，与电气层相互独立。电气过孔是指用以实现PCB不同层之间的电气互联而增加的过孔。热过孔和电气过孔都可以看成是中空的金属圆柱结构（过孔孔壁镀层为铜），都有助于热量的传导与扩散。安装在PCB上的元器件主要散热路径如下：元器件产生的热量部分通过元器件的焊盘和焊接层传导到PCB顶部的铜箔上，再通过过孔传导至内层铜箔及PCB底部的铜箔上，最后通过PCB下表面或者PCB背面的散热片散发至周围的空气中（如果PCB背面与结构件接触，则热量会传导至与之相接触的结构件）。

3.2.1 PCB过孔数量对散热的影响

当过孔直径保持不变（过孔直径为12mil）且过孔覆铜厚度保持不变时（过孔覆铜厚度为1oz），过孔数量对PCB固定区域的垂直方向导热系数的影响如图4所示。

图4 PCB过孔数量对导热系数的影响

基于上述数据，PCB固定区域的过孔数量越多，PCB垂直方向的导热系数越高，有利于热量沿PCB板垂直方向的传导。通过增加过孔数是一种有效的改善PCB垂直方向导热能力的措施。

3.2.2 PCB过孔覆铜厚度对散热的影响

当过孔直径保持不变（过孔直径为20mil）且过孔数量保持不变时（过孔数量为225个），过孔覆铜厚度对PCB固定区域的垂直方向导热系数的影响如图5所示。

图5 PCB过孔覆铜厚度对导热系数的影响

基于上述数据，PCB固定区域的过孔覆铜厚度越厚，PCB垂直方向的导热系数越高，有利于热量沿PCB板垂直方向的传导。通过增厚过孔覆铜厚度也是一种有效的改善PCB垂直方向导热能力的措施。

3.2.3 PCB过孔直径对散热的影响

当过孔覆铜厚度保持不变（过孔覆铜厚度为1oz）且过孔数量保持不变时（过孔数量为225个），过孔直径对PCB固定区域的垂直方向导热系数的影响如图6所示。

图6 PCB过孔直径对导热系数的影响

基于上述数据，PCB固定区域的过孔直径越大，PCB垂直方向的导热系数越高。通过增大过孔直径也是一种有效的改善PCB垂直方向导热能力的措施。

4 结论

通过提高PCB铜层层数、铜层厚度以及铜层含铜量可显著改善PCB平面方向的导热系数，有利于器件热量沿PCB平面方向扩散，但对PCB垂直方向导热系数改善效果有限。

通过提高PCB过孔数量、过孔覆铜厚度及过孔直径可明显增强固定区域的PCB垂直方向导热系数，有利于器件热量沿PCB厚度方向的热传导。

参考文献

[1]彭喜儿,杨杰,关志锋,等. 一种嵌入式散热PCB的制作过程 [J] . 印制电路信息,2015,23(3):197-202.

[2]汪玲,朱晓亮,张海涛,等. PCB覆铜层传热特性仿真分析[J] . 低温与导,2021,49(4):115-120.

收稿日期：20230915

作者简介：贾振华（198305），男，汉族，安徽合肥，硕士研究生，高级工程师。主要研究方向：电源产品整机设计