SMD 元件的散热过孔与 PCB 散热铺铜

作者 BQUQ Engineering Team 审核 BQUQ Quality Engineering 2025年5月30日次阅读 ISO 9001:2015 认证工厂

SMD 元件的散热过孔与 PCB 散热铺铜

简短回答：实用的 SMD 散热堆叠在散热焊盘下方采用 2 x 2 至 4 x 4 阵列的 0.3 mm 镀铜过孔，间距 1.0-1.2 mm，连接到至少 2-4 层 1 oz（35 µm）或 2 oz（70 µm）铜层。在静止空气中，每对过孔的热阻约为 20-40 K/W，因此二十个过孔的总热阻接近 1-3 K/W。然后 PCB 将热量传递给通过 0.1-0.3 mm 界面层贴合的散热器。BQUQ 加工和冲压接收这些热量的铝制或铜制散热器，并在 12 个工作小时内报价。

大多数 SMD 散热问题不是在元件处解决的，而是在其正下方 3 mm 的材料中解决的。QFN、DFN 封装的功率 MOSFET 或高亮度 LED 都会将热量倾泻到一个通常小于 5 mm x 5 mm 的焊盘上。除非 PCB 首先被设计为散热器，其次才是布线基板，否则这个焊盘的热量无处可去。

本文涵盖从芯片到环境的热路径：过孔几何形状、铜层铺展、界面选择，以及如何指定机械散热器，使电气和热设计真正衔接。

为什么散热铺展比单纯的散热器尺寸更重要？

因为瓶颈几乎从来不是翅片面积，而是小芯片和大散热器之间的收缩热阻。

考虑一个耗散 3 W 的 5 mm x 5 mm 功率封装。如果热量通过 25 mm² 的接触区域进入 100 mm x 100 mm 的散热器，基板内部的扩散热阻将占主导。散热器在自由对流下的额定热阻可能为 1.5 °C/W，但有效系统热阻可能达到 8-12 °C/W，因为热量在到达翅片之前从未横向扩散。

解决方法是分层处理：

1. 元件到焊盘 — 焊料空洞面积低于 10%，通过 X 射线验证。

2. 焊盘到内层铜 — 散热过孔，而不仅仅是单个连接。

3. 内层铜到板面 — 在每个可用层上铺铜，并缝合在一起。

4. 板到散热器 — 受控厚度的界面，可以是导热垫、导热胶或机加工凸台。

5. 散热器到空气 — 翅片几何形状与气流状态匹配。

步骤 2 和 3 是工程师最常建设不足的部分，因为它们在原理图上不可见。

实际需要多少个散热过孔？

没有通用的数字，但有一个合理的起始范围。过孔热阻取决于孔壁镀层厚度、钻孔直径、板厚以及过孔是否填充或开放。

下表给出了 1.6 mm FR-4 板、孔壁镀铜 25 µm 的指示性数值。将这些视为设计指导，而非数据手册数值。

过孔配置	每个过孔的大致热阻	16 过孔阵列（并联）	备注
0.2 mm 钻孔，开放孔壁	55-75 K/W	3.4-4.7 K/W	热阻最高，成本最低
0.3 mm 钻孔，开放孔壁	35-50 K/W	2.2-3.1 K/W	常见默认
0.3 mm 钻孔，填充+盖帽	25-35 K/W	1.6-2.2 K/W	更利于锡膏印刷
0.5 mm 钻孔，开放孔壁	20-30 K/W	1.3-1.9 K/W	浪费焊盘面积
0.3 mm，2 oz 镀层	18-26 K/W	1.1-1.6 K/W	最佳实用选项

一些在大多数设计中都成立的实用规则：

0.3 mm 钻孔，间距 1.0-1.2 mm 是主力。它平衡了热阻、锡膏钢网完整性和可制造性。
保持在散热焊盘内部。 放置在焊盘轮廓外的过孔不会降低芯片处的收缩热阻。
顶部覆盖或填充。 开放过孔在回流期间会吸走锡膏并产生空洞。如果无法承担填充+盖帽过孔，请覆盖顶部并保持底部开放以利于排气。
超过约 25 个过孔 在 5 mm 焊盘下收益递减；此时限制因素变为铜层铺展，而非过孔数量。

堆叠效应

过孔只有在另一侧连接到铜层时才有帮助。终止在 2 mm² 孤岛内层上的过孔几乎无用。每个过孔应连接到具有至少 100 mm² 连续铜的平面或铺铜，最好在两层或更多层上，并在铺铜周边用额外的过孔缝合。

铜厚应该多少？

铜厚决定横向扩散热阻。1 oz 层比 0.5 oz 层明显更好地扩散热量，而 2 oz 对于高功率板又是一个台阶变化。

铜厚	厚度	典型用途	铺展优势
0.5 oz	17 µm	信号主导板	对于 >1 W 较差
1 oz	35 µm	标准功率板	足以应对每器件约 2-3 W
2 oz	70 µm	LED 阵列、电机驱动器	良好至每器件约 5 W
3 oz+	105 µm+	IGBT、密集 LED	需要更宽的线宽/间距规则

对于典型的 1 W SMD 元件，在 25 °C 环境温度下，器件下方及周围有 400-600 mm² 铜铺铜的 1 oz 板通常足以将结温保持在限制范围内。对于 3 W 及以上，改用 2 oz 或添加金属芯或铝基基板。

一个注意事项：厚铜会改变蚀刻能力。在 2 oz 及以上，最小线宽和间隙通常会变宽，这会影响布线密度。在布局之前规划叠层，而不是之后。

如何将 PCB 连接到散热器？

这是热设计变成机械问题的地方，也是许多项目失去成果的地方。完美的过孔阵列连接到粘合不良的散热器是白费力气。

有三种常见的连接方式：

导热垫或填隙材料

预切割的垫片，通常厚 0.5-2.0 mm，硅胶填隙材料的导热系数在 1-6 W/m·K 范围内，特种材料更高。它适应公差，可返工，无需固化。代价是相对较高的界面热阻，在适度压力下 25 mm x 25 mm 面积通常为 1-3 °C/W。

选择合适的材料本身就是一个课题——我们在导热界面选择指南中介绍了权衡。

导热胶

导热胶可达到 1-3 W/m·K，并提供更薄的粘合层，通常为 0.1-0.2 mm。它们是永久性的，这对返工很重要。如果您的产品需要现场维修，请提前规划——参见散热器返工与维修。

机加工凸台接触

热效率最高的选项是带有直接接触 PCB 的机加工凸台的散热器，仅在凸台面有薄界面层。这使您可以精确控制平面度和高度。BQUQ 在 CNC 加工散热器上加工这些凸台，关键尺寸可达 ±0.005 mm，从而保持焊盘上粘合层均匀。

均匀的粘合层比稍微更好的界面材料更有价值。在 25 mm 焊盘上，0.1 mm 的粘合层从 0.05 mm 变化到 0.4 mm，会在薄端产生热点，在厚端产生高阻区域。

什么样的散热器几何形状适合过孔馈电的 SMD 板？

一旦热量到达散热器基板，设计问题就转向翅片几何形状和气流。两个参数占主导地位：

翅片间距 — 太密会导致边界层合并，破坏对流。太宽则浪费体积。对于自然对流，通常为 6-10 mm 间隙；对于强制风冷，为 2-4 mm。我们在自然对流翅片间距中详细介绍了计算。
基板厚度 — 必须足够厚，以便在热量到达翅片之前横向扩散。对于 100 mm 散热器上的 25 mm x 25 mm 热源，5-8 mm 基板是合理的起点。更薄的基板节省重量，但会重新引入收缩热阻。

对于具有单个主导热源的 SMD 板，厚基板和中等翅片数量的挤压型材通常优于大型薄基板散热器。对于分布式热源——LED 阵列、多路电源级——更平坦的基板、更密的翅片和强制风冷更有效。

BQUQ 生产所有这些形式的散热器：挤压型材、冲压和粘合组件、铲齿翅片、压铸以及带有机加工凸台和安装特征的 CNC 加工变体。完整系列列在散热器下，凸台关键部件涵盖在CNC 加工散热器下。

过孔馈电 SMD 散热堆叠的设计检查清单

步骤	目标	常见故障
焊盘下方焊料空洞	<10% 面积	锡膏体积过低，开放过孔吸锡
过孔数量和间距	16-25 个过孔，0.3 mm，间距 1.0-1.2 mm	过孔放置在焊盘外
过孔终端	2 层以上平面	过孔落在孤立岛上
铜厚	最低 1 oz，>3 W 用 2 oz	2 W 元件用 0.5 oz
铜铺铜面积	每瓦级 400-600 mm²	铺铜被布线切断
界面层	0.1-0.3 mm，均匀	凸台不平，垫片过厚
散热器基板	25 mm 热源用 5-8 mm	基板薄，收缩热阻高
翅片间距	与气流模式匹配	风扇管道中使用自然对流间距

常见问题解答

问：我可以在 QFN 下使用散热过孔而不填充它们吗？

答：可以，但用阻焊层覆盖顶部并保持底部开放。开放过孔在回流期间充当锡膏芯吸路径，将焊料从散热焊盘拉走并产生空洞。如果您的钢网开孔和锡膏体积得到严格控制，开放过孔对于小批量生产是可行的。对于几千件以上的任何产品，填充+盖帽过孔提供更可重复的结果和更好的热性能。

问：与仅使用更多过孔相比，铜铺铜实际有多大帮助？

答：通常帮助更大。过孔垂直移动热量；铜横向移动热量。密集的过孔阵列终止在小岛上仍然会集中热量。两层上 500 mm² 的铺铜，用周边过孔缝合，将热量扩散到整个板，并比将焊盘下过孔数量加倍更能降低有效源到散热器的热阻。两者都要做，但不要忽视铺铜。

问：SMD 板的最小实用散热器基板厚度是多少？

答：对于 25 mm x 25 mm 热源，5 mm 是合理的下限，对于 3 W 以上的热源，6-8 mm 更安全。低于 4 mm，基板内部的收缩热阻开始占主导，增加翅片面积不再有帮助。如果重量关键，将铜扩散板粘合到铝散热器基板中，比简单加厚铝提供更好的每克铺展效果。

问：过孔镀层厚度和过孔直径一样重要吗？

答：在小直径下非常重要。0.3 mm 过孔、25 µm 孔壁镀层大约为 35-50 K/W；同样的过孔、50 µm 镀层降至约 18-26 K/W。由于孔壁镀层厚度由您的板厂工艺决定，请在制造图纸上明确指定。如果无法控制，请使用更多过孔，而不是依赖镀层厚度。

问：在构建硬件之前，如何知道我的散热堆叠是否足够？

答：运行热仿真，明确建模过孔阵列、铜厚和铺铜面积——集总模型会隐藏收缩热阻。然后使用包含实际散热器和界面材料的热测试板进行验证。分别测量外壳温度和散热器基板温度；差异告诉您瓶颈是界面还是散热器。先调整更便宜的那个。

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