PCB中散热孔的布置技巧与实用方法

一、为什么散热孔设计对PCB制造很重要

在电子产品中，电路板不只是信号传输的平台，它还要承载电源转换、高速运算和大电流处理。这些功能会带来大量热量。如果不及时将热量导出，电路板温度升高会引起材料老化、焊点失效，甚至元件损坏。

特别是在高功率电源、LED照明、通信基站、电动汽车控制模块等应用中，PCB上常有MOS管、LDO、驱动芯片等发热源。这些器件往往封装面积小，但功率密度高，直接贴在板上的话，热量很难扩散。

为了提升散热效率，一种常用方法就是在PCB中设置散热过孔（也称导热孔）。它们能把热量从元件焊盘传到内层铜箔或底层铜皮，并最终通过外壳或散热片排出。散热孔设计是否合理，直接关系到整个PCB的热阻、电气性能以及制造难度。因此，掌握散热孔的设计技巧，对提高可制造性和产品可靠性非常关键。

​二、散热孔传热的基本原理

热量在PCB中主要有三个传播路径：

1. 沿铜箔（水平）导热；

2. 沿电介质（竖直）导热；

3. 通过过孔（竖直）导热。

在这三种路径中，铜的导热系数约为 400 W/m·K，而FR4等电介质材料的导热系数不到 0.3 W/m·K，相差超过1000倍。因此，热量优先沿铜箔和铜过孔扩散。这就是为何过孔在热设计中非常关键。

散热过孔的作用是：

• 提供垂直方向的铜路径，把热量从表面引导到内层或背面；

• 增加铜的接触面积，提高热传导效率；

• 如果底面有散热片，还能辅助自然或强制对流。

不过，过多过密的散热孔也可能引起锡膏吸入、焊盘失效、结构脆弱等问题。所以设计时需要权衡传热效率、焊接可靠性和制造难度。

三、散热过孔的具体设计技巧

1. 散热孔直径的选择

散热孔通常为通孔，不做电气连接时不通电。它们的直径直接影响传热能力和加工难度。

• 最常见尺寸为 0.3 mm；

• 小于 0.25 mm 会导致钻孔难、塞孔困难；

• 大于 0.5 mm 会吸走太多锡膏，影响焊接可靠性。

建议根据散热面积、电流大小和板厂能力，选择直径在 0.3 ~ 0.4 mm 范围内。

2. 散热孔数量与排列方式

• 一般建议在芯片焊盘下方平均排布 6~20 个散热孔；

• 如果散热焊盘尺寸超过 4 mm × 4 mm，则孔数可增加；

• 孔距应保持 1 mm 以上，避免局部过密；

• 可以采用方形、菱形、同心圆或矩阵布置方式。

排列均匀有助于热量快速扩散，也可避免焊盘变形。

3. 内层铜箔与散热孔连接方式

散热过孔的另一端应连接到大面积铜箔，用于储热与扩散。连接方式有两种：

• 直接连接内层大铜：适用于功率大、允许散热快速扩展的场景；

• 使用热阻隔（热桥）结构：在电源和信号混合区域，避免电气干扰。

注意，若散热孔穿越多个内层，需每层都打通，增加导热路径。

4. 散热孔是否需要塞孔或阻焊盖油

如果散热孔布在元件焊盘下方，就要考虑焊接问题：

• 不塞孔：焊接时锡膏可能被孔吸走，造成虚焊或塌陷；

• 全塞孔再盖油：能阻止锡流失，但增加制造难度和成本；

• 仅盖油不塞孔：不能阻止锡渗漏，效果有限；

• 全部开放：焊接可靠性差，适合非焊盘区域。

推荐做法是：若散热孔在焊盘下，应采用塞孔+盖油方式，确保焊盘平整不塌陷。

5. 地面/电源与散热孔的耦合方式

散热孔如连接到GND层，需考虑是否使用热阻隔结构（thermal relief pad）：

• 不使用热阻隔：导热效率高，但影响焊接性；

• 使用热阻隔：焊接更好，但降低导热性。

建议在高功率器件区域不使用热阻隔，以便热量快速扩散；在小功率元件区域可以使用热阻隔提升焊接一致性。

6. 防止散热孔形成应力集中的结构

散热孔聚集太密、分布不均时，会造成板材局部应力集中，特别是在热循环过程中容易出现开裂或分层。因此要注意：

• 孔数不应太多，通常每平方厘米不超过 20 个；

• 孔位与器件引脚、过孔、BGA焊球等保持足够距离；

• 多层PCB中，散热孔需避开盲孔、埋孔等高应力区域。

7. 与散热片、外壳的热界面匹配

如果PCB底面贴有铝壳、散热片、金属框架等结构，那么散热孔应全部贯通到底面，并与大铜皮连接，同时考虑界面导热胶、导热垫或填隙材料。否则即使散热孔导热良好，最终热量也无法顺利传出。

四、制造与可靠性相关注意事项

1. 散热孔的加工能力要求

散热孔通常为小孔密集区，对PCB厂的钻孔精度和铜厚控制提出要求。建议设计时：

• 孔间距不小于 0.8 mm；

• 孔环宽度大于 0.15 mm；

• 铜厚不低于 35 μm。

特别注意：如果散热孔要求塞孔+盖油，必须与PCB厂确认工艺能力，不然可能导致孔内残胶、气泡、锡珠等问题。

2. 焊接可靠性问题

有时散热孔会导致以下焊接异常：

• 锡膏被孔吸走，焊点虚焊；

• 焊盘变形，器件倾斜；

• 锡球流到背面，引发短路。

解决方法包括：

• 在焊盘底部做“十字阻焊开窗”，平衡锡量；

• 使用印刷模板控制锡膏量；

• 减小散热孔的开口数量；

• 必要时使用回流焊前预热，改善润湿性。

3. 热可靠性测试与验证

建议进行以下测试以验证散热孔效果：

• 红外热成像，观察热分布是否均匀；

• 热冲击试验（如-40°C~125°C，1000次循环）；

• 功率老化试验，验证在高负载下是否有热衰减；

• 铜孔完整性检查，确认无空洞、分层。

如果发现热热点集中、局部温升高于20°C，则说明散热孔设计不足，需优化孔位或增加热铜面积。

散热孔设计是高可靠PCB制造的重要一环

散热孔在高功率器件和高密度布局中起着非常关键的作用。它不仅提升热管理能力，也影响板子的整体制造质量与使用寿命。

好的散热孔设计应满足以下几个方面：

• 热传导效率高；

• 焊接可靠；

• 不增加制造难度；

• 与上下层电路结构协调；

• 符合EMC、结构、电气要求。

在进行PCB设计时，不能仅关注电气性能，也要从热角度综合考虑。通过优化散热孔的尺寸、数量、排列、层间连接方式，可以显著提升产品的稳定性与可制造性。