為什么通孔不會(huì)發(fā)熱？

大多數(shù)人都知道，當(dāng)電流通過走線（導(dǎo)體）時(shí)，走線將會(huì)變熱。這種溫度升高是由于走線電阻內(nèi)耗散的I2R功率損耗引起的。銅走線的電阻主要取決于其幾何形狀（橫截面積），有很多研究項(xiàng)目正在研究通過（已知尺寸）走線的電流與走線最終溫度之間的關(guān)系。

但實(shí)際情況要復(fù)雜得多。走線的物理屬性有助于冷卻走線。這些屬性通常包括熱量通過材料傳導(dǎo)離開走線、熱量通過空氣對(duì)流離開走線以及熱量通過輻射離開走線。當(dāng)I2R加熱等于冷卻時(shí)，即當(dāng)電子和物理屬性平衡時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定的溫度。

我們投入了若干年的時(shí)間來合作研究這些屬性的相互作用。Douglas是一名電氣工程師，了解電子學(xué)。Johannes是一位熱力物理學(xué)家，了解熱傳遞。兩位專家闡述了很多通孔的散熱特性。

通孔不會(huì)變得很熱

電流通過走線，遇到電阻，走線就會(huì)發(fā)熱，導(dǎo)致I2R功率損耗。這種溫度升高是由我們所稱的“焦耳加熱”引起的：

焦耳加熱是電流通過電氣導(dǎo)體產(chǎn)生熱能的物理效應(yīng)。然后通過體材料溫度的升高可證明這種熱能，因此稱之為“加熱”。人們可以將焦耳加熱視為“電能”和“熱能”之間的轉(zhuǎn)換，遵循能量守恒原理。

通常，對(duì)于給定的走線，走線的電流增加將對(duì)應(yīng)著走線溫度的增加。當(dāng)談到通孔時(shí)，行業(yè)指南通常是使通孔的橫截面積調(diào)整為等于其主走線的橫截面積。那么，通孔的溫度將與走線的溫度相同。IPC在IPC-2152中正式確定了該指南：

通孔的橫截面積至少應(yīng)與導(dǎo)體的橫截面積相同，或大于進(jìn)入其中的導(dǎo)體橫截面積。如果通孔的橫截面積小于導(dǎo)體的橫截面積，則可以使用多個(gè)通孔來保持與導(dǎo)體相同的橫截面積。

研究發(fā)現(xiàn)，這一指南是完全錯(cuò)誤的。參考文獻(xiàn)[5]給出了將電流通過直徑為10mil[0.254mm]鍍（1.0盎司）通孔的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)施加4.75A電流通過通孔時(shí)，記錄到通孔溫度為64.5℃。當(dāng)施加8.6A的電流時(shí)，通孔溫度僅為44.5℃，低了20℃。區(qū)別是什么？

在第一種情況下，主走線的寬度為27mil[0.6858mm]。

在第二種情況下，主走線的寬度為200mil[5.08mm]。

在第二種情況下，更寬的走線為通孔提供了相當(dāng)大的散熱片。熱量從通孔傳導(dǎo)得如此之快，以至于通孔溫度根本無法比主走線高。當(dāng)然，這意味著在高載流走線上需要更少的通孔。

在電氣工程領(lǐng)域，我們知道導(dǎo)體的溫度與電流有關(guān)。但對(duì)于特殊情況的通孔，熱傳遞的物理屬性決定了具體情況，通孔的溫度與電流沒有直接關(guān)系。

散熱通孔不太有效

通常，如果在頂層有一個(gè)熱量大的元器件，會(huì)在其下放置銅焊盤來幫助散熱。一些人建議將銅（填充）通孔從焊盤通到電路板底層的“某個(gè)物體”上。這個(gè)“物體”可能是與頂部焊盤大小相同的銅焊盤，也可能是某種銅平面。這些通孔被稱為“散熱通孔”，互聯(lián)網(wǎng)上有大量關(guān)于散熱通孔的文章和建議。

但幾乎所有的參考文獻(xiàn)都說，需要多個(gè)散熱通孔（10個(gè)），因?yàn)槊總€(gè)散熱通孔的效率都很低。事實(shí)證明，散熱通孔無效的原因與物理有關(guān)。

散熱通孔通常連接在兩個(gè)表面之間。兩個(gè)表面之間的熱導(dǎo)率是平行重疊面積及其他因素的函數(shù)。當(dāng)然，焊盤面積比散熱通孔橫截面積大得多。因此，底層焊盤的存在已經(jīng)為通過板材的熱傳導(dǎo)性提供了重要路徑，從而降低了兩個(gè)焊盤之間的溫度。在施加第一個(gè)散熱通孔之前，已經(jīng)發(fā)生了大量的冷卻（溫度降低）。通過材料的熱傳導(dǎo)物理屬性已經(jīng)完成了我們所需要的許多工作。這就是散熱通孔對(duì)進(jìn)一步冷卻作用不大的原因。

審核編輯：湯梓紅