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(jù)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(shù)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(shù)十倍，多數(shù)PCB厚度方向的導熱系數(shù)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(fā)出，經(jīng)過熱阻較低的襯底傳輸?shù)絇CB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(jīng)由導熱性能極低的FR4才能散發(fā)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(nèi)如果填錫，則整個過孔都是有金屬組成，縱向的導熱系數(shù)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(fā)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(jié)參數(shù)設計包含過孔內(nèi)經(jīng)、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(nèi)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(qū)域為d/p>25%、t/p>2%，器件的結溫在此區(qū)域內(nèi)再增加過孔內(nèi)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(shù)，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(nèi)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(chǎn)品中視具體需求充分體現(xiàn)。

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