PCB热设计至关重要，因为温度会显著影响电子元件的寿命。或许您已知晓"十倍法则"——温度每升高十摄氏度，产品寿命就会减半。表面贴装技术(SMT)的散热面临独特挑战，因为器件往往将热量集中在更小区域。此外，传统散热器也不易获得。
本工程简报将探讨散热通孔的应用。我们将重点分析Arduino LEONARDO设计团队采用的解决方案，如图1和图2所示PCB布局。图中特写展示了SOT-223封装的NCP1117ST50T3G低压差5V稳压器及12个散热通孔。
图 1 ：Arduino LEONARDO(2017-REV3d)稳压器的热成像图12个散热通孔环绕着SOT-223封装的LDO稳压器。
技术提示 ：PCB设计是需要时间沉淀的艺术。设计师必须掌握元件的电气、物理和热学特性。电路板版本迭代很常见，旨在优化成本与可制造性。例如本文涉及的Arduino LEONARDO是2017-REV3d旧版。新版电路板已改进稳压器的散热处理。旧板的简易通孔已被填充焊料的大尺寸通孔取代。
图 2 ：Arduino背面散热焊盘图像注意该侧散热面温度低于LDO稳压器所在侧。
实验描述
只要配备热成像仪，观察散热通孔的工作状态就非常直观。为Arduino LEONARDO的桶形插座供电。在5V电源轨上连接负载电阻。结果如图1-2所示，稳压器区域产生显著热效应，温度远高于周边PCB。热成像图中可见串联电阻。图1中它们位于左下角。
图1中的图像是用老款Fluke Ti32热像仪拍摄的。这些图像随后使用Fluke SmartView Classic软件进行处理。Fluke推荐TiS55+作为现代替代型号。更多关于热成像的信息可参阅以下文章：
什么是散热过孔？
所有表面贴装元件都利用其PCB焊盘作为散热形式。就本文而言，焊盘指的是专门用于散热的覆铜PCB材料区域。焊盘面积通常远大于元件封装尺寸。图1展示了典型示例——采用SOT-223封装的LDO稳压器配备了大面积焊盘。
散热过孔用于将热量从PCB一侧的焊盘传导至另一侧的焊盘。这样能形成热阻更低的大型散热器。在特定条件下，元件工作温度更低，从而延长使用寿命。
散热过孔是表面贴装器件相对低成本的解决方案。为更好理解该技术，我们先研究LEONARDO开发板上LDO的数据手册。
图3显示了SOT-223封装器件的热阻曲线和最大功耗随焊盘尺寸变化的规律。为简化说明，数据手册假设焊盘为正方形。下降曲线表示热阻变化，上升曲线表示最大功耗变化。例如，考虑一个边长为 15 毫米的垫子。该器件对空气的热阻约为85°C/W，在最高环境温度50°C条件下最大功耗约为1.2W。
图 3 ：这些曲线表明SOT-223封装LDO的最大功耗取决于焊盘尺寸。
技术提示 ：注意当焊盘尺寸增大到一定程度时，收益会递减。图3中拐点出现在15至20毫米范围内。继续增大焊盘尺寸不会显著提升器件功率处理能力。
散热过孔如何工作？
散热过孔通过一组导热通道，将热量从PCB一侧的焊盘传导至另一侧的相邻焊盘。最终形成热阻更低的散热系统。由于大多数PCB材料导热性差，这些热传导通道必不可少。若两个焊盘物理尺寸相同且散热过孔完美，可见散热材料的物理尺寸已翻倍。
人们容易误认为散热能力也随之翻倍。但事实并非如此，因为PCB焊盘背对背放置，中间隔着PCB材料。这种共享的半绝缘PCB材料界面降低了每侧的散热效率。此外，如图1所示，热量从源头向周边扩散。如同绕山行走，热量呈梯度分布，形成围绕热源的等温环。离热源越远，散热效果越差。这就是图3曲线呈现收益递减现象的主要原因。由于梯度热分布，外围区域的散热效率较低。最后如图2所示，元件背面的散热器效果会因不完美的散热过孔而减弱——温度更低导致效率下降。
技术提示 ：切勿在焊盘焊接部位下方布置散热过孔。我们知道焊料会渗入过孔。这个不可控的过程会导致表面贴装元件与焊盘之间产生空隙。最终形成高热阻的薄弱焊点——这恰恰是我们试图避免的情况。
理想散热过孔应具备哪些特性？
理想的散热过孔应具有零热阻通道，能将热量从PCB一侧传导至另一侧。实践中难以实现，因为这需要在PCB上钻孔并填充导热材料。
实际应用中，散热过孔采用与电气过孔或通孔元件相同的工艺制作。散热过孔本质上只是个镀层钻孔。它仅是连接PCB两侧的通道。铜镀层既提供电气通道，也形成热传导路径。
通过用焊料填充镀孔可提升散热过孔的导热性能。图4展示的Arduino LEONARDO最新版就采用了这项技术。此处可见八个填充了焊料的大尺寸过孔。可以确信，相比图1中数十个未焊锡的过孔，这是更先进的散热管理技术。我们认识到填充散热过孔需要一个额外的制造步骤，这不适用于图1所示的2017-REV3d版本。除非必要，否则不会采用该技术。
图 4 ：Arduino LEONARDO的最新修订版。SOT-233 LDO稳压器焊盘两侧排列着八个填锡的散热过孔。
技术提示 ：散热过孔与用于电气连接PCB两侧的传统过孔并无不同。"散热"这一术语实际上区分了过孔的使用方式。例如，图1所示的Arduino LEONARDO焊盘通过12个散热过孔连接。必须注意的是PCB焊接面没有电气连接。因此，这些过孔的作用是散热而非导电。当PCB设计者使用一组散热过孔来提供低电阻通孔电气接触时，命名规范会变得复杂。
最后的思考
散热过孔是所有PCB设计者必备的重要设计工具。它提供了一种相对低成本的方法来改善表面贴装功率器件的散热特性。如本文所示，该技术有效但存在局限性。从数据手册可以看出，焊盘尺寸的回报效益存在递减点。这种热传递的梯度特性限制了冷却效果，因为远离热源的材料对器件冷却的贡献不明显。
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