为什么通孔不会发热？

大多数人都知道，当电流通过走线（导体）时，走线将会变热。这种温度升高是由于走线电阻内耗散的I²R功率损耗引起的。铜走线的电阻主要取决于其几何形状（横截面积），有很多研究项目正在研究通过（已知尺寸）走线的电流与走线最终温度之间的关系。

但实际情况要复杂得多。走线的物理属性有助于冷却走线。这些属性通常包括热量通过材料传导离开走线、热量通过空气对流离开走线以及热量通过辐射离开走线。当I²R加热等于冷却时，即当电子和物理属性平衡时，达到稳定的温度。

我们投入了若干年的时间来合作研究这些属性的相互作用。Douglas是一名电气工程师，了解电子学。Johannes是一位热力物理学家，了解热传递。两位专家阐述了很多通孔的散热特性。

通孔不会变得很热

电流通过走线，遇到电阻，走线就会发热，导致I²R功率损耗。这种温度升高是由我们所称的“焦耳加热”引起的：

焦耳加热是电流通过电气导体产生热能的物理效应。然后通过体材料温度的升高可证明这种热能，因此称之为“加热”。人们可以将焦耳加热视为“电能”和“热能”之间的转换，遵循能量守恒原理。

通常，对于给定的走线，走线的电流增加将对应着走线温度的增加。当谈到通孔时，行业指南通常是使通孔的横截面积调整为等于其主走线的横截面积。那么，通孔的温度将与走线的温度相同。IPC在IPC-2152中正式确定了该指南：

通孔的横截面积至少应与导体的横截面积相同，或大于进入其中的导体横截面积。如果通孔的横截面积小于导体的横截面积，则可以使用多个通孔来保持与导体相同的横截面积。

研究发现，这一指南是完全错误的。参考文献[5]给出了将电流通过直径为10mil[0.254mm]镀（1.0盎司）通孔的实验结果。当施加4.75A电流通过通孔时，记录到通孔温度为64.5℃。当施加8.6A的电流时，通孔温度仅为44.5℃，低了20℃。区别是什么？

在第一种情况下，主走线的宽度为27mil[0.6858mm]。

在第二种情况下，主走线的宽度为200mil[5.08mm]。

在第二种情况下，更宽的走线为通孔提供了相当大的散热片。热量从通孔传导得如此之快，以至于通孔温度根本无法比主走线高。当然，这意味着在高载流走线上需要更少的通孔。

在电气工程领域，我们知道导体的温度与电流有关。但对于特殊情况的通孔，热传递的物理属性决定了具体情况，通孔的温度与电流没有直接关系。

散热通孔不太有效

通常，如果在顶层有一个热量大的元器件，会在其下放置铜焊盘来帮助散热。一些人建议将铜（填充）通孔从焊盘通到电路板底层的“某个物体”上。这个“物体”可能是与顶部焊盘大小相同的铜焊盘，也可能是某种铜平面。这些通孔被称为“散热通孔”，互联网上有大量关于散热通孔的文章和建议。

但几乎所有的参考文献都说，需要多个散热通孔（10个），因为每个散热通孔的效率都很低。事实证明，散热通孔无效的原因与物理有关。

散热通孔通常连接在两个表面之间。两个表面之间的热导率是平行重叠面积及其他因素的函数。当然，焊盘面积比散热通孔横截面积大得多。因此，底层焊盘的存在已经为通过板材的热传导性提供了重要路径，从而降低了两个焊盘之间的温度。在施加第一个散热通孔之前，已经发生了大量的冷却（温度降低）。通过材料的热传导物理属性已经完成了我们所需要的许多工作。这就是散热通孔对进一步冷却作用不大的原因。

审核编辑：汤梓红