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从事结构设计、热设计、售前、产品设…作者简介科技自媒体优质创作者个人主页莱歌数字-CSDN博客公众号莱歌数字个人微信yanshanYH211、985硕士职场15年从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域涵盖新能源车载与非车载系统、医疗设备软硬件、智能工厂等业务带领团队进行多个0-1的产品开发并推广到多个企业客户现场落地实施。专题课程Flotherm电阻膜自冷散热设计90分钟实操Flotherm通信电源风冷仿真教程实操基于FloTHERM电池热仿真瞬态分析基于Flotherm的逆变器风冷热设计零基础到精通实操每日篇行业发展资讯让大家更及时了解外面的世界。更多资讯请关注B站/公众号【莱歌数字】有视频教程~~本期给大家带来的是关于PCB热过孔相关研究内容希望对大家有帮助。之前有写过关于PCB热设计方面的内容感兴趣的可点击下方链接查阅。某光电信号 PCB仿真分析PCB板级热设计仿真分析EDA与FTEFD工具的协同作业PCB设计铜箔厚度与走线宽度和电流之关系直播回放在B站目前109期复制下方链接到浏览器即可观看。https://www.bilibili.com/video/BV1NqBrBXE9k/?spm_id_from333.1387.upload.video_card.clickvd_source1cd268ba78d8c242ec3d2681935c4504背 景随着新的设计和组件的发展对高性能散热器的需求也伴随着对更好的PCB设计需求。一个设计更好的PCB将通过电路板增强从设备到环境的热传递。为了保持可接受的结温度同时通过组件外壳降低结到环境的热阻通常需要通过电路板消耗一些设备功率。标准PCB的设计通常考虑到电气性能然而使用热孔来提高热性能不应被忽视。通孔的使用始于多层电路板的引入。加入小孔以电的方式连接铜层。铜孔的热效益很快就被看到了因为铜孔有助于将热量从铜表面层扩散到埋地层和PCB的背面。图1.热通道的原理图在设计PCB时热通孔的影响是非常重要的。增强通孔的主要优点是增强了PCB的耐热性增加了扩散效果。两种常见的应用特别利用了热孔。在传导冷却中传热的主要模式是从设备传导到PCB然后进入机箱减少扩散热阻非常有益。同样在LED冷却中所有的热量必须通过PCB转移到散热器中降低的PCB热阻可以促进整体温度降低。下理论计算一个标准的LED PCB为1.6 mm厚使用FR4电介质材料面积为270 mm2。使用标准传导方程其中l厚度mk导热系数w/mKA面积㎡计算得出热阻为30°C/W添加热孔将有助于减少这种热阻我们可以用一种简化的方式来计算因此总热阻是FR4和孔的等效热阻由在FR4板上增加5个0.6 mm的通孔将使其电阻从最初的30°C/W降低到2.59°C/W。热通孔是改善电路板热设计的一个重要途径。下面我们举个PCB热过孔的实例计算其等效热阻。假设热过孔区域10mm*10mm厚度1.6mm热过孔直径0.3mm。热过孔内镀铺厚度0.025mm热过孔数量100个。计算这个热过孔区域的等效热阻及等效导热系数。主要依据傅立叶导热定律RL/λ*A这个公式在我们之前的文章出现了很多次。其中L为厚度A为截面积λ为导热系数计算单个过孔的热阻根据已知条件过孔外径尺寸为0.3mm过孔铜内径尺寸为0.25mm那么过孔截面积计算公式SπD²-d²/4D为外径尺寸d为内径尺寸最后计算得出S0.02158mm²R单L/λ*A0.0016/380*0.00000002158195.1 ℃/W总过孔热阻计算那么对于100个热过孔并联的结果大家可以类比成电路的电阻R总热过孔195.1/100 ℃/W1.95 ℃/W非过孔区域的等效热阻计算R非L/λ*A0.0016/0.3*0.00009293 ℃/W57.39 ℃/W其中FR4导热系数取值0.3 W/m*K组合后的热阻及导热系数R等效1.95*57.39/1.9557.39 ℃/W1.89 ℃/Wλ等效L/R等效*A0.0016/1.89*0.000095088 8.9 W/m*K仿真分析之前文章分享过关于芯片构造和热阻等仿真方法详细内容可点击下方链接进行了解。芯片构造、热阻基础知识与仿真方法利弊PCB odb文档导入PCB上相关元器件布局有的元器件损耗较高为了增加其散热效果将热量尽可能传到PCB上。此时一般会在PCB上增加热过孔的设计 如下图所示IC热过孔图图片来源于网络热过孔尺寸常用有0.3mm孔间距1mm以上孔内镀层厚度0.025mm。通过设置合适的过孔有助于提高电路板的散热性能防止电路过热。热过孔主要给贴片功率器件导热用因为贴片器件体积小功率密度大需要将热量引导至电路板的各铜层或者另一面提高导热效率。需要注意的是Flotherm、FloEFD等软件都有热过孔的功能但是有些受限于版本例如FloEFD只有2024及以上版本才可以大家谨慎选择。优化设计通孔对板热阻的影响研究热通过阵列的影响。一个10 mm x 10 mm阵列在有限元分析中建模假设一OZ铜层。与没有通孔的PCB相比总的热阻降低了90%表1。表1.通过热阻的有限元分析模拟一种利用一维分析来确定通过阵列的热阻的方法。以确定整体电阻将系统分为两部分PCB通孔和剩下的层。PCB的电导率通常为0.2 W/mK。该通道通常为铜导热系数为380W/mK。研究发现该方法的准确性在10-30%以内然而它低估了整体热阻。传导冷却应用传导冷却是一种常见的做法设备在恶劣环境中使用必须密封如军事或航空电子。图2中所示的电路板是一个典型的例子。板的蓝色边缘显示它与底盘耦合的位置这是系统去除热量的主要路径。这种设计说明了对高导电性PCB的需要因为从组件产生的热量必须通过电路板移动到外边缘。图2.典型传导冷却PCB由于复杂的电路板的几何形状和多种变量计算流体动力学CFD是优化热设计的关键。在这个例子中通孔的密度和阵列是不同的组件的位置也是如此。由于处理器和内存之间的信号完整性问题两者之间的最大间隔必须小于11 mm。如图3所示由于使用通孔而增加的板电导率的影响是巨大的。如果不使用热孔该设备产生的热量将必须沿着PCB顶部的信号铜层横向扩散几乎完全覆盖的功率和地面层。图3.热孔效应CFD模拟最初的设计结温度为110°而更优化的设计结温度为84°。图4显示了组分分离和通孔对结温的影响。图4.过孔密度和布局的效果LED应用随着设备功率的增加LED照明的冷却是热设计领域的一个大的挑战。led不同于典型的白炽灯因为通过辐射传递的热量很少。相反冷却的主要热源是将热量从连接处传导到LED的堵塞和焊料垫并进入连接的PCB图5。图5.安装在PCB上的高功率LED的横截面图一旦热量传递到PCB它就必须通过PCB并进入附着的散热器图6。由于PCB直接位于产热结和散热器之间其热阻对器件的整体温度至关重要。图6.LED应用中通过增强PCB的横截面