PCB 信號走線比我們想象的要熱

圖 1(a) 摘自我們最近的書 [1]，顯示了從走線穿過電路板到另一側(cè)的垂直熱流模擬。模擬是針對 100 mil 寬、1.0 oz 的。在 63 mil 厚的 FR4 板的頂層上，厚跡線加熱到幾乎 58 oC。這個(gè)數(shù)字看起來令人印象深刻，但它在一種非常重要的意義上具有誤導(dǎo)性。水平和垂直尺度是非常不同的。該圖像表示只有 63 密耳（1.6 毫米）厚但 2.0 英寸（50 毫米）寬的橫截面區(qū)域。

圖 1. 通過 PCB 的垂直熱流。

圖 1(b) 是大致按比例顯示的相同熱圖像。從這種角度來看，很明顯，由于電路板的幾何形狀和熱度都很薄，因此水平熱量從走線流出的機(jī)會(huì)非常小。這意味著電路板的底層將具有（大約）與頂層相同的熱分布。這意味著中間的所有層也將具有相同的熱分布——通過跡線的電流不僅會(huì)加熱跡線，還會(huì)加熱其下方的所有東西。

最近，我們進(jìn)行了一組有趣的模擬（參見 [2] 和 [3]），進(jìn)一步探索了這種關(guān)系。圖 2 代表了該模擬的一部分。我們從 250 x 125 毫米 FR4 板開始，1.6 毫米厚。頂層有兩個(gè) 25 x 25 mm 的銅焊盤。銅墊通過施加 2.5 瓦的功率對其進(jìn)行加熱。125 x 125 mm 的銅平面僅放置在電路板左側(cè)的底層。

圖 2. 用 2.5 瓦加熱的兩個(gè)焊盤。左墊下面有一個(gè)大平面。

施加的電源將右側(cè)的焊盤（無底層）加熱到 93 oC，高于環(huán)境溫度 73 oC。在焊盤下方放置一個(gè)平面（圖像左側(cè)），將焊盤溫度降低到 59 oC。但真正有趣的是底層發(fā)生了什么，如圖 3 所示。

圖 3. 圖 2 所示電路板的底層。

底層的熱分布（圖 3）看起來與頂層的熱分布（圖 2）非常相似。溫度也幾乎相同。右側(cè)加熱墊的頂層溫度為 93 oC。底層相同區(qū)域的溫度約為 89 oC，僅比頂層低 4 度。左側(cè)焊盤下方區(qū)域的溫度約為 50 oC，比頂部焊盤低 9 度。

那么，如果我們把飛機(jī)放在電路板的內(nèi)層呢？圖 4 顯示了當(dāng)平面放置在左側(cè)焊盤下方 0.5 mm 的內(nèi)層上時(shí)底層的熱分布。加熱墊下方的右側(cè)區(qū)域仍然僅比頂層墊低 4 度。較近的平面將頂層左側(cè)焊盤的溫度降低到約 45 oC。底層的相應(yīng)溫度約為39 oC，比頂層溫度低6度。

圖 4. 如果內(nèi)部平面放置在頂層下方 0.5 mm 處，則底層的熱分布。

有趣的是，銅平面的存在往往會(huì)降低整體溫度，因?yàn)樗綗崃鞲?，但它對整體熱模式的影響要小得多。即使在底層有一個(gè)銅平面（圖 2），平面上的熱分布也與其上方的熱分布相似。銅表面和平面上可能存在（并且確實(shí)存在）顯著的熱梯度，這一點(diǎn)在我們的書中 [1] 的許多地方都得到了強(qiáng)調(diào)。

這些結(jié)果說明了一個(gè)重要事實(shí)：電路板底層的熱分布類似于頂層的熱分布。頂層和底層之間的點(diǎn)溫差通常小于 10 oC，通常在 5 oC 甚至更低的范圍內(nèi)。

現(xiàn)在這些焊盤都比較大。如果我們查看正常大?。訜幔┑嫩E線會(huì)怎樣？我們用 1、2、4 和 6 毫米寬（分別約為 40、80、160 和 240 密耳）的 4 條跡線替換了模擬中的焊盤。每條跡線承載足夠的電流以將其溫度（沒有底層平面）提高到大約 70 oC。模擬平面放置在板的左半部分的底層。圖 5 顯示了仿真頂層和底層的熱分布。

圖 5. 模擬加熱跡線的頂層和底層的熱分布。在此模擬中，板左側(cè)的底層有一個(gè)平面。頂層

圖 5. 模擬加熱跡線的頂層和底層的熱分布。在此模擬中，板左側(cè)的底層有一個(gè)平面。底層

我們還在電路板左側(cè)下方的跡線下方 0.5 毫米處模擬了該電路板（未顯示）。結(jié)果列于表 1。重要結(jié)果在每個(gè)平面配置（無、底層、內(nèi)層）的差異“差異”列中。

表 1. 跟蹤級模擬的結(jié)果（以 oC 為單位的溫度）。

對于最寬的走線，溫差往往最小，并且隨著焊盤/走線寬度的變窄而增加。盡管如此，即使是最窄的跡線下的局部溫度仍然很重要。此處未討論（再次參見 [3]），溫差是電路板厚度的函數(shù)。隨著電路板厚度的增加，溫差也會(huì)增加。

結(jié)果傾向于證實(shí)上述一般性陳述：電路板底層的熱分布類似于頂層的熱分布。頂層和底層之間的點(diǎn)溫差通常小于 10 oC，通常在 5 oC 甚至更低的范圍內(nèi)。

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以上有幾個(gè)可能的含義。首先，這些結(jié)果解釋了為什么熱通孔效率如此之低，它們幾乎是無效的。根據(jù)定義，熱通孔必須去某個(gè)地方。通常，它們終止于電路板另一側(cè)的銅表面（平面）。等式 1 顯示了它們背后的理論。熱傳導(dǎo)公式為：

等式 1. Q/t = kA(ΔT)/d

在哪里：

Q/t = 傳熱率（瓦特或焦耳/秒）

k = 導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·K）

ΔT = 溫度變化 (oC = oK)

A = 重疊區(qū)域

d = 焊盤和平面之間的距離

在上面的示例中（圖 2 和圖 3），加熱墊（沒有底層平面）比環(huán)境溫度高 73 oC（ΔT=73）。但在這種情況下，沒有地方可以終止熱通孔。當(dāng)我們在底層添加一個(gè)平面時(shí)，我們可以終止熱通孔，ΔT（焊盤和平面之間）降低到 9 oC。（內(nèi)部平面外殼將 ΔT 降低到 6 oC。）幾乎所有的好處都來自于銅平面本身的添加。額外的熱通孔的邊際貢獻(xiàn)幾乎可以忽略不計(jì)。

第二個(gè)含義是，內(nèi)層上較小的信號走線將具有與其上方和下方的頂層和底層幾乎相同的熱分布。圖 6(b) 說明了一個(gè)內(nèi)部走線層，位于頂層下方約 6 密耳處，穿過我們的一個(gè)加熱墊下方（下方?jīng)]有平面）。有兩條跡線，分別為 1.0 mm 和 2.0 mm（40 和 80 mil）寬，通過焊盤下方。圖 6(a) 是相同的焊盤，沒有任何痕跡。

圖 6. 比較無內(nèi)部走線 (a) 和焊盤下方 6 mil 的內(nèi)部走線 (b) 的加熱焊盤下方的熱模式。

熱模式說明走線對冷卻的影響很?。ㄗ呔€越小影響越?。偟膩碚f，信號走線與加熱墊的熱分布幾乎相同。由于電阻率是溫度的函數(shù)，這意味著信號走線的電阻在通過焊盤下方時(shí)沿走線從點(diǎn)到點(diǎn)發(fā)生變化 [4]?？梢酝茰y，這意味著差分對每一側(cè)的電阻，或信號總線中不同差分對的電阻，如果它們通過不同的熱環(huán)境，它們可能會(huì)有所不同。這可能會(huì)或可能不會(huì)對信號電平和時(shí)序產(chǎn)生影響，具體取決于具體情況。

一個(gè)適當(dāng)?shù)膯栴}是：我們是否有任何實(shí)驗(yàn)證據(jù)來支持我們在此討論的熱剖面類型？答案是肯定的。例如，在最近的一篇文章 [5] 中，我們（實(shí)驗(yàn)）表明，如果焊盤溫度發(fā)生變化，則在焊盤下方布線的走線會(huì)改變電阻。然后我們詢問這是否有任何信號完整性影響。

在我們的書 [1] 中，我們將第 8 章專門用于通過加熱。在那一章中，我們有兩個(gè)表格來確認(rèn)我們的仿真模型與我們的實(shí)驗(yàn)測試板相匹配 [6]。圖 7 和圖 8 改編自該章中的圖 8.8 和 8.9。這些熱像圖來自實(shí)驗(yàn)性的 6 英寸長的走線，中間有一個(gè)通孔，從頂層到底層。每條跡線的左側(cè)部分位于頂層。左側(cè)的溫度指示用于該頂層上的跡線/通孔。每個(gè)圖像的右側(cè)部分是頂層的溫度，由底層的實(shí)際軌跡加熱。

在圖 7 中，右側(cè)頂層比對面層的同等位置低約 10 度。但在圖 8 中，差異僅比對面層低約一到兩度。這與我們上面的模擬一致。隨著加熱寬度的增加，溫差減小。

圖 7. 承載 6.65 安培的 27 mil 寬走線（改編自 [1]，圖 8.8。）

圖 8. 承載 8.55 安培的 200 密耳寬走線（改編自參考文獻(xiàn) 1，圖 8.9）

加熱走線和焊盤的熱影響不僅限于它們所在的電路板層。它們或多或少地反映在它們上方和下方的每一層上。