隨著電子設備向高性能、高集成度和微型化方向快速發展，熱管理已成為設計過程中不可忽視的核心挑戰。過熱不僅會導致設備性能下降，還可能縮短元器件壽命，甚至引發系統故障。在眾多散熱解決方案中，散熱通孔陣列（Thermal Via Array）設計因其高效、緊湊和靈活的特性，被廣泛應用于印制電路板（PCB）設計中，成為提升設備熱管理效能的關鍵技術之一。
一、散熱通孔陣列的基本原理與作用
散熱通孔（Thermal Via）是一種專門用于導熱的過孔，通常填充或鍍銅以增強熱傳導性能。其基本原理是利用金屬（如銅）的高熱導率，將發熱元器件（如 CPU、GPU、功率芯片）產生的熱量從 PCB 的一側快速傳遞到另一側或內部散熱層，從而通過散熱器、外殼或環境空氣將熱量耗散掉。
單個散熱通孔的熱導能力有限，因此在實踐中常采用陣列形式（即多個通孔按一定規律排列）來顯著增加熱傳導路徑和表面積。通孔陣列的設計通過以下機制提升散熱效率：
1. 降低熱阻：通過增加平行熱傳導路徑，減少熱量從源到匯的總熱阻。
2. 增強對流和輻射：陣列結構增加了散熱表面積，改善了與空氣的熱交換。
3. 均勻化溫度分布：避免局部熱點，提高系統可靠性。
二、散熱通孔陣列設計的關鍵參數
有效的散熱通孔陣列設計需綜合考慮多個參數，這些參數直接影響熱性能和可制造性。
1. 通孔直徑（Diameter）：通孔直徑通常介于 0.1mm 至 0.3mm 之間。較大的直徑可降低熱阻，但會占用更多布線空間，并可能影響信號完整性。需在熱性能和布線密度間取得平衡。
2. 陣列間距（Pitch）：指通孔中心之間的距離。較小的間距能提高熱密度，但過密可能導致加工困難（如鉆孔偏差）和成本增加。一般間距不小于通孔直徑的 2 倍。
3. 深度比（Aspect Ratio）：通孔深度與直徑的比值。高深度比（如大于 10:1）會給電鍍和填充工藝帶來挑戰，可能產生孔壁不均勻或空洞，影響熱導率。
4. 填充材料（Filling Material）：通常使用導電環氧樹脂、銅漿或純銅填充。銅填充熱導率最高（約 400 W/m?K），但成本較高；非金屬填充材料成本低，但熱導率較差。
5. 布局模式（Layout Pattern）：常見布局包括網格狀、交錯狀和環形陣列。布局需與熱源形狀匹配，例如在 BGA 封裝下方采用均勻網格以覆蓋整個熱源區域。
6. 連接層（Connection Layers）：通孔應連接至內部散熱層（如專用導熱層或接地層）以增強熱擴散。設計時需確保熱路徑連續且低阻。
三、散熱通孔陣列的設計流程與最佳實踐
優秀的散熱通孔陣列設計需遵循系統化流程，并結合仿真與測試進行優化。
1. 熱分析模擬：使用 CFD（計算流體動力學）或 FEA（有限元分析）軟件（如 ANSYS Icepak 或 Simcenter Flotherm）進行熱仿真。通過模擬溫度場和熱流分布，確定熱點區域和所需熱導率。
2. 參數化設計：基于仿真結果，選擇通孔直徑、間距和填充材料。例如，對高功率芯片，可采用直徑 0.2mm、間距 0.5mm 的銅填充通孔陣列。
3. 與 PCB 布局協同：避免通孔與高速信號線或敏感電路干擾，必要時采用盲孔或埋孔技術以減少串擾。同時，確保通孔與散熱層（如金屬核心或導熱墊）充分連接。
4. 制造工藝考量：與 PCB 制造商溝通，確認通孔加工能力（如最小孔徑、填充工藝）和成本。
5. 測試與驗證：通過紅外熱成像或熱電偶測量原型板的溫度分布，驗證設計效果，并根據結果迭代優化。
四、應用場景與案例研究
散熱通孔陣列技術已廣泛應用于多種電子設備中：
? 消費電子：智能手機和筆記本電腦中，用于處理器和電源管理芯片散熱，延長電池壽命并維持性能。
? 通信設備：5G 基站和高速路由器中，高功率 RF 芯片和 FPGA 需通過通孔陣列將熱量傳導至散熱鰭片。
? 汽車電子：電動汽車的電機控制器和車載信息娛樂系統，在高溫環境下依賴通孔陣列保障可靠性。
? 工業與醫療設備：對穩定性要求極高的場景，如工業控制器和醫療成像儀，通孔陣列幫助滿足熱管理標準。
案例：某公司設計一款高性能加速卡，采用 GPU 芯片功率達 150W。初始設計中出現過熱降頻問題。通過添加銅填充通孔陣列（直徑 0.15mm，間距 0.4mm）于芯片下方，并將熱量傳導至鋁散熱器，使結溫降低 15°C，性能提升 20%。
五、結論
散熱通孔陣列設計是電子設備熱管理中的關鍵技術，通過科學設計參數、先進仿真和工藝結合，可顯著提升系統散熱能力和可靠性。未來，隨著技術創新和應用深化，它將繼續在高性能計算、通信和汽車電子等領域發揮不可或缺的作用。企業應重視這一技術，并將其納入產品設計標準流程，以贏得市場競爭優勢。了解更多歡迎聯系愛彼電路技術團隊