PCB信號走線超出我們想象的熱

? 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。這個數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會非常小。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加熱跡線，還會加熱其下方的所有東西。

加熱墊

最近，我們進行了一組有趣的模擬（參見 [2] 和 [3]），進一步探索了這種關系。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 25 x 25 mm 的銅焊盤。銅墊通過施加 2.5 瓦的功率對其進行加熱。125 x 125 mm 的銅平面僅放置在電路板左側的底層。

圖 2. 用 2.5 瓦加熱的兩個焊盤。左墊下面有一個大平面。施加的電源將右側的焊盤（無底層）加熱到 93 oC，高于環境溫度 73 oC。在焊盤下方放置一個平面（圖像左側），將焊盤溫度降低到 59 oC。但真正有趣的是底層發生了什么，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。右側加熱墊的頂層溫度為 93 oC。底層相同區域的溫度約為 89 oC，僅比頂層低 4 度。左側焊盤下方區域的溫度約為 50 oC，比頂部焊盤低 9 度。那么，如果我們把飛機放在電路板的內層呢？圖 4 顯示了當平面放置在左側焊盤下方 0.5 mm 的內層上時底層的熱分布。加熱墊下方的右側區域仍然僅比頂層墊低 4 度。較近的平面將頂層左側焊盤的溫度降低到約 45 oC。底層的相應溫度約為39 oC，比頂層溫度低6度。

? 圖 4. 如果內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降低整體溫度，因為水平熱流更好，但它對整體熱模式的影響要小得多。即使在底層有一個銅平面（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（并且確實存在）顯著的熱梯度，這一點在我們的書中 [1] 的許多地方都得到了強調。這些結果說明了一個重要事實：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溫差通常小于 10 oC，通常在 5 oC 甚至更低的范圍內。

加熱痕跡

現在這些焊盤都比較大。如果我們查看正常大小（加熱）的跡線會怎樣？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，板左側的底層有一個平面。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，板左側的底層有一個平面。底層我們還在電路板左側下方的跡線下方 0.5 毫米處模擬了該電路板（未顯示）。結果列于表 1。重要結果在每個平面配置（無、底層、內層）的差異“差異”列中。

表 1. 跟蹤級模擬的結果（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。隨著電路板厚度的增加，溫差也會增加。結果傾向于證實上述一般性陳述：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溫差通常小于 10 oC，通常在 5 oC 甚至更低的范圍內。相關資源Anritsu 向 VNA 系列添加工具以提高信號完整性測試能力每通道 224 Gb/s：選項和挑戰

影響

以上有幾個可能的含義。首先，這些結果解釋了為什么熱通孔效率如此之低，它們幾乎是無效的。根據定義，熱通孔必須去某個地方。通常，它們終止于電路板另一側的銅表面（平面）。等式 1 顯示了它們背后的理論。熱傳導公式為： 等式 1. Q/t = kA(ΔT)/d 在哪里： Q/t = 傳熱率（瓦特或焦耳/秒） k = 導熱系數（W/m·K） ΔT = 溫度變化 (oC = oK) A = 重疊區域 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。當我們在底層添加一個平面時，我們可以終止熱通孔，ΔT（焊盤和平面之間）降低到 9 oC。（內部平面外殼將 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幾乎可以忽略不計。第二個含義是，內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) 說明了一個內部走線層，位于頂層下方約 6 密耳處，穿過我們的一個加熱墊下方（下方沒有平面）。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. 比較無內部走線 (a) 和焊盤下方 6 mil 的內部走線 (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小（走線越小影響越小），但總的來說，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，這意味著信號走線的電阻在通過焊盤下方時沿走線從點到點發生變化 [4]。可以推測，這意味著差分對每一側的電阻，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境，它們可能會有所不同。這可能會或可能不會對信號電平和時序產生影響，具體取決于具體情況。

實驗證據

一個適當的問題是：我們是否有任何實驗證據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（實驗）表明，如果焊盤溫度發生變化，則在焊盤下方布線的走線會改變電阻。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，我們有兩個表格來確認我們的仿真模型與我們的實驗測試板相匹配 [6]。圖 7 和圖 8 改編自該章中的圖 8.8 和 8.9。這些熱像圖來自實驗性的 6 英寸長的走線，中間有一個通孔，從頂層到底層。每條跡線的左側部分位于頂層。左側的溫度指示用于該頂層上的跡線/通孔。每個圖像的右側部分是頂層的溫度，由底層的實際軌跡加熱。在圖 7 中，右側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。