PCB信号轨迹比我们想象的要热

图1(a)摘自我们的新书[1]，显示了垂直热流的模拟从一个痕迹通过板到另一边。模拟的是一个100mil宽，1.0盎司厚的迹线，在63 mil厚FR4板的顶层加热到几乎58℃。这个数字看起来令人印象深刻，但在一个非常重要的意义上，它具有误导性。水平和垂直的尺度是非常不同的。这幅图所代表的横截面积只有63密耳(1.6毫米)厚，但2.0英寸(50毫米)宽。

图1。通过PCB的垂直热流。

图1(b)是大致按比例显示的相同热图像。当以这种方式看待时，显而易见的是，由于板在几何上和热上都很薄，所以很少有机会使水平热流远离痕迹。这意味着板的底层将有(大约)相同的热剖面作为顶层。这意味着中间的所有层也会有相同的热剖面——通过轨迹的电流不仅会加热轨迹，还会加热它下面的所有东西。

加热垫

最近，我们进行了一组有趣的模拟(参见[2]和[3])，进一步探讨了这种关系。图2展示了该模拟的一部分。我们从一块250 x 125毫米的FR4板开始，1.6毫米厚。两个铜垫，25 x 25毫米，放置在顶层。用2.5瓦的功率加热铜垫。仅在单板左侧的底层放置了一个125 × 125mm的铜平面。

图2。两个2.5瓦加热的衬垫。左垫下面有一个大飞机。

施加的功率将右侧(无下垫面)的衬垫加热到93℃，高于环境温度73℃。在衬垫下方放置一个平面(图像左侧)，可以将衬垫温度降低到59摄氏度。但真正有趣的是底层发生的情况，如图3所示。

图3。底板如图2所示。

底层(图3)的热分布与顶层(图2)非常相似。温度也几乎相同。右侧加热垫的顶层温度为93℃。底层的同一区域温度约为89摄氏度，只比顶层低4度。左侧衬垫下方区域的温度约为50℃，比顶部衬垫低9度。

那么，如果我们把飞机放在板子的内层呢?图4展示了当飞机被放置在左垫上0.5毫米以下的内层时底层的热分布。加热垫下的右侧区域仍然只比顶部的垫低4度。较近的平面将顶层左侧垫的温度降低到45摄氏度左右。对应的底层温度约为39℃，比顶层温度低6度。

图4。如果内部平面位于顶层以下0.5毫米处，则底层的热廓线。

有趣的是，铜平面的存在倾向于降低整体温度，因为更好的水平热热流，但它对整体热模式的影响要小得多。即使底层有一个铜平面(图2)，平面上的热剖面与上面的热剖面相似。在铜的表面和平面上可能存在(并且存在)显著的热梯度，这一点在我们的书[1]的许多地方都强调过。

这些结果说明了一个重要的事实:电路板底层的热廓线与顶层的热廓线相似。表层和底层之间的现场温度差异通常小于10摄氏度，更多的情况是在5摄氏度甚至更低的范围内。

激烈的痕迹

这些垫子相对较大。如果我们观察正常大小(加热)的痕迹呢?我们用4个轨迹替换了模拟中的垫，分别为1、2、4和6毫米宽(分别约为40、80、160和240密耳)。每个痕迹携带的电流足以将其温度(没有底层平面)提高到约70摄氏度。一个模拟的平面被放置在黑板左边的底层。图5显示了模拟的顶层和底层的热分布。

顶层

底层

图5。顶部和底部的热剖面模拟加热痕迹。在这个模拟中有一个平面在底层，左边的板。

我们还模拟了这个板与一个平面0.5毫米以下的痕迹在板的左侧(没有显示)。结果如表1所示。重要的结果是在每个平面配置的差异“Diff”列(无，底层，内层)。

对于最宽的轨迹，温差趋于最小，随着垫/轨迹宽度的变窄，温差增大。尽管如此，即使是在最狭窄的痕迹下的现场温度仍然很重要。这里不讨论(再次见[3])，温差是板厚度的函数。温差会随着板厚的增加而增大。

结果倾向于证实上面的一般陈述:电路板底层的热廓线与顶层的热廓线相似。表层和底层之间的现场温度差异通常小于10摄氏度，更多的情况是在5摄氏度甚至更低的范围内。

影响

上述情况有几个可能的影响。首先，这些结果解释了为什么热通孔是如此低效，它们几乎是无效的。根据定义，热通道通到某个地方。通常，它们终止在板子对面的铜面(平面)上。公式1显示了它们背后的理论。热传导公式为:

方程1。Q / t = kA(Δt / d

地点:

Q/t =传热速率(瓦，或焦耳/秒)

k =导热系数(W/m·k)

ΔT =温度变化(oC = oK)

重叠面积

D =垫面之间的距离

在上面的例子中(图2和图3)，加热垫(没有下垫面)比环境温度高73摄氏度(ΔT=73)。但在这种情况下，没有终止热通道的地方。当我们在底层添加一个平面，我们可以终止热通道，ΔT(垫和平面之间)降低到9摄氏度。(内平面机箱将ΔT降低到6℃。)几乎所有的好处都来自于增加的铜平面本身。额外的热通径的边际贡献几乎可以忽略不计。

第二个含义是，内层上较小的信号轨迹与上下上下的上下层几乎具有相同的热剖面。图6(b)说明了一个内部跟踪层，在顶层以下约6密耳，从我们的一个加热垫的下面经过(下面没有平面)。有两个轨迹，1.0 mm和2.0 mm(40和80 mil)宽，分别通过垫的下方。图6(a)是同一个垫，没有任何痕迹。

图6。比较加热垫下无内部痕迹(a)和垫下6密耳(b)的内部痕迹的热模式。

热谱图表明，迹线对冷却的影响很小(迹线越小影响越小)，但总的来说，信号迹线与加热垫的热谱几乎相同。由于电阻率是温度的函数，这意味着信号轨迹的电阻沿轨迹从点到点变化，因为它通过垫[4]下面。人们可以推测，这意味着差分对每一边的电阻，或信号总线中不同差分对的电阻，可能是不同的，如果他们通过不同的热环境。这可能会影响信号水平和时间，也可能不会，这取决于具体情况。

实验证据

一个合适的问题是:我们有任何实验证据来支持我们在这里谈论的热剖面类型吗?答案是肯定的。例如，在最近的一篇文章[5]中，我们(实验地)表明，如果衬垫改变了温度，那么衬垫下面的路径会改变电阻。然后我们问这是否有任何信号完整性的影响。

在我们的书[1]中，我们用了第8章来讨论通热。在那一章中，我们有两个表来确认我们的仿真模型与我们的实验测试板[6]相匹配。图7和8改编自本章的图8.8和8.9。这些热像图是实验用的6英寸长，中间有一个孔，从顶部到底部。每个轨迹的左边部分位于顶层。左边的温度指示是在顶层的轨迹/通路。每个图像的右边部分是顶层的温度从底层的实际轨迹加热。

在图7中，右上一层比对面一层上的对等点低10度左右。但在图8中，这一差异只比另一层低1到2度。这与我们上面的模拟是一致的。随着加热宽度的增加，温差减小。

图7。携带6.65安培的27 mil宽迹线(改编自[1]，图8.8)

图8。200mil宽，携带8.55安培(改编自参考文献1，图8.9)。

底线

加热痕迹和衬垫的热影响不仅限于它们所处的板层。它们或多或少地反映在它们上下的每一层上。

笔记