文章分享-关于PCB散热的争论

何贝和瑞纳塔争论的声音很大，以至于我认为他们正在进行橄榄球比赛的输赢赌博。瑞纳塔总是选择具有目前最好四分卫的队伍，而何贝总是选择地理位置上更接近他家乡的队伍。
何贝断言底特律雄师将肆虐绿湾包装工前线（两支均为美国国家橄榄球联盟球队），“他们会将它做成瑞士干酪！”
我模仿霍莫•辛普森（美国电视动画《辛普森一家》中主角）的口吻说：“瑞士干酪。”
瑞纳塔指着我说：“有一个家伙可以平息这场纷争。”她猛烈地在白板上画草图，并且记号笔墨水溅到了她的脸颊上。
我说：“哦，橄榄球不是我所擅长的运动。”
何贝说：“橄榄球？伙计，你的思绪快回到办公室吧。我们完全是在讨论散热问题。”
我说：“哦，我希望听到一些有趣的东西。这些X和D的符号是什么意思？”
瑞纳塔抢在何贝之前说：“这是我避免心灵感应（Telepathic Port Module）遭受散热问题的新想法。我们采用PCB作为心灵/光学变压器（Psychic / Optical Transformer）的散热器。
瑞纳塔是来自塞多纳实验室的结构设计师。她的艰巨任务是组装HBU，正如她所说的：“将4.54kg的大脑放到一个2.27kg的盒子中。”瑞纳塔的父亲曾是卡特政府的官员，负责英制单位和公制单位的转换。
何贝说：“自从她读了你的书之后，瑞纳塔认为她是一个资历较浅的热设计专家。”
我说：“所以说你是一个热设计专家！你为什么不告诉我关于你散热器的想法？”
瑞纳塔给了我一个类似长途接线员似的勉强微笑。我从网络上一个散热论坛中得到了这个想法。这个叫斯派克的家伙说如果你在你的PCB板中加入铜层，你可以将元件的热阻减少一半！”
何贝点头表示赞同，“你的Thermal Tip of the Day #142甚至说由元件产生的热量通过元件引脚进入到PCB板中，所以那是有道理的。”
我不确定地说：“行，那X和D又代表什么？”
瑞纳塔说：“这是另一个名为KirkNSpock的家伙说他在一本杂志上看到你可以在PCB板上钻一些孔来提升板子的散热能力。他说：“增加表面积或其它一些什么。所以那就是我想对TPM所做的。在POX周围增加一些孔。我想要何贝告诉我在哪些位置可以增加孔，从而不会切断走线。”
我问：“板子上打孔？“我之前从未听说过。它们是如何有助于元件散热的？”
何贝说：“我也想知道原因。但因为那个匿名的网络家伙在杂志上看到这个方法，它应该是真实的。他说他也不知道其中原理，但他宣称测试结果显示板子的孔可以使元件温度更低。”
瑞纳塔说：“我的解释是空气通过这些孔，产生湍流，这会强化热交换的程度。此外，你将所有高温的功率层暴露在冷空气中，这也会使整块PCB板温度更低。这使我认为孔的尺寸应该是很大，它的直径应该大约为10～25mm。”
何贝问：“它和美元硬币中哪一个尺寸相类似？”
我说：“大约像一个便士的尺寸。”
何贝说：“我认为这些孔增加了板子的辐射换热量。上个月我在理发店的《科学美国》中看到一个洞可以看做一个黑体辐射器。我们想让板子布满微小的黑体洞辐射器，所以它们应该是小的孔，直径尺寸大约为1/16英寸。”
我说：“哇，那不像我的理发店所具有的杂志。”
瑞纳塔说：“所以我们需要你来平息这场争端。我们想对这块板子增加一些孔，从而使板子成为更好的散热器。告诉我们这些孔的尺寸多大和布置在哪里可以给我们带来最好的热性能。”
我盯着板子布局好一会儿后说：“为了获得板子最小的温升，你应该有一个直径为1/8英寸的孔，他的位置就在输入熔断器的旁边。”
何贝看着我在板子布局图中画的大圆点。他恍然大悟说：“但那个孔正好切到了提供所有板子电功率的走线上！”
我说：“是的，没有功率就没有热量，更没有温升。这是唯一板子上钻孔能减少它温升的方法。”
瑞纳塔尝试着说：“但增加表面积…”
我说：“任何比此孔大的孔都会浪费更多的表面积。”
她说：“但关于增加湍流…”
我解释说：“除非你将板子与风扇出风成90°角，否则不会有任何空气流过这些孔，所以它们不会对空气湍流流动产生任何影响。”
何贝急忙讲：“但孔的辐射…”
“对于辐射视线范围内有一个低温表面是相当重要的。你的孔能够辐射热量到相邻板子吗？这些相邻的板子具有和钻孔板子相同的温度。听起来就像你的常识从你颅骨中的空腔辐射出来。”
何贝哀号着说：“嗨！”他的手下意识地摸索着他的头顶，似乎为了打开一个孔。
我说让我们讨论一下使用PCB板作为元件散热器。你猜怎么着？你没有任何选择！瑞纳塔，你提到了元件的热阻。你是否知道他们是如何测量元件结温和环境之间所谓的热阻（θ_JA）？元件被焊到一块4平方英寸的测试板上。所以在元件说明书中的热阻值已经包括了一块相当大板子散热的影响。当电视广告中播放一些新款的电子玩具时，演播员总是在结尾说：“不包括电池。”我认为在元件说明书中靠近θ_JA值附近应该被注明：不包括标准测试板。”
“那就是我暗示你没有任何选择的原因。为了得到至少和元件说明书中一样好的热阻值，你不得不使用一块至少与测试时使用板子一样好的PCB板。”
瑞纳塔惊愕地坐在那里好一会儿，之后问：“我们如何才能知道我们的板子散热性能比测试时所用板子更好？”
我说：“好问题，这个答案是你无法知道，因为元件供应商没有告诉你他们的测试板是什么样的。它可能是只含有少量信号线的单层板。有时也可能是仅含有信号线的双面板。有时它内部会具有功率层和地层。板子的含铜量越多，它的热扩散性能越好。那如何与你的板子进行对比？”
何贝说：“我们的板子是具有4层功率层和4层地层的16层板子。听起来它应该散热更好。”
我说：“可能是，也有可能不是。归根到底，你的板子上不只一个元件。如果你的板子上有许多高功率元件，那么对于内部铜线而言就没有多少可以散热的面积。”
何贝咬着他的嘴唇说：“在板子上有12个POX芯片和其它16个高功率元件。”
实验室内顿时变得鸦雀无声。
瑞纳塔开始去擦白板。她说：“你不喜欢孔的原因仅仅是因为它来自一个网络论坛吗？”
我说，“等，等一下！”填满孔的墨水给了我一个想法。“我想KirkNSpock可能是对的！”
何贝说：“我了解孔的辐射。”
“不，这与辐射或空气通过孔没有关系。当那个网络家伙说通过增加孔可以降低元件温度，他并不是说孔；他意思是其它形式的孔，那种你经常用来将板子不同层连接起来的孔，你将其成为什么？”
何贝说：“热过孔？”
我说：“是的！热过孔！当然！这些热过孔连接了布满铜的板子各个层！这使板子具有更好的热扩散性。使用板子作为散热器的一个问题是绝大多数元件都是表贴元件。元件的引线仅仅与板子顶部的信号层相连，在这一层中几乎没有多少铜。实际上你希望板子内铜量多的层能连接到一起，但由于板子内绝缘环氧层很差的导热性，热量很难进入到这些含铜量多的层中。但如果你利用热过孔将板子内顶层与其它内部含铜层连接起来，板子内的热扩散会得到很大改善。那个网络家伙是对的——增加许多热过孔可以使板子成为一个更好的散热器。他仅仅因为使用一些不精确的术语，使你的想法进入了错误的轨道。所有的热过孔是孔，但并不是所有的孔都是热过孔。”
瑞纳塔说：“热过孔！那下一步建议我该怎么做！”
何贝说：“把白板先擦干净！尽管热过孔有所帮助。因为板子上有一些固定的孔，所以可能没有太多空间来容纳许多热过孔。”
我说：“只要这场纷争平息，之后，我会去看看橄榄球彩票。”
节选《笑谈热设计》机械工业出版社10月出版