重銅熱緩解：安培與焊料之間的戰爭

你花了數週在佈局上。原理圖已驗證，Altium中的DRC清除，電源層是巨大的3oz銅板，被設計為可承載100安培而不出問題。在螢幕上，看起來像是一個低阻抗布線的傑作。網絡已完全連接，空線已消除，模擬顯示出一條漂亮的、冷藍色的電流路徑。

然後電路板從生產廠返回，它們變成磚頭。

連接器脫落是因為焊點冷卻且顆粒狀。電源場效應晶體管在現場失效，因為它們從未真正濕潤到焊盤，造成高阻抗接觸點，並逐漸升溫最終破裂。你沒有設計電路，你設計的是一個整體吸收回流爐所有熱能的散熱器。

這是電源PCB設計的根本矛盾。為了移動大量電流所需的銅幾何形狀，常常也是阻礙可靠焊點的幾何形狀。物理學並不在乎你的網表連接。如果你不能讓焊料流動，你就沒有電路板。

磚的熱力學

停止像電氣工程師一樣思考，開始像處理熱流的水管工一樣思考。當你將元件焊盤直接放在一個大型銅層（尤其是2oz、3oz或更重的）上時，你就是在將一個小的熔融金屬池與一個巨大的熱儲存庫相連接。

當回流爐或烙鐵觸碰到該焊盤，它會試圖將局部溫度提高到焊料的熔點——通常為約217°C（SAC305）。然而，銅是個優秀的導體。那個巨大的接地層像高速公路一樣，迅速將熱能從焊盤引走，遠比熱源能提供的快。這就像用消防水管灌滿一個桶，水從底部排出。你可以把烙鐵溫度調到450°C，但仍可能損壞銅與FR-4之間的黏合劑，但沒關係。熱量不會停留在焊點，而是擴散到整個層板中。

結果就是"冷焊"。焊料可能在元件引腳上融化，但一觸碰到銅焊盤就會凝固。它像水銀珠一樣聚集在表面，而不是流動成為平滑的角度。當技術員試圖用烙鐵固定，持續加熱45秒時，通常只是令焊盤分層或燒掉助焊劑，導致焊接不良。人們常責怪工具，認為需要更高瓦數的烙鐵，但即使是Metcal MX-500配上重型鐵嘴，也無法對抗4oz的銅層，除非得到幫助。熱質量在每次都獲勝。

"直連"神話

在電力電子領域中流傳的持續神話聲稱高電流路徑 必須 使用直接連接多邊形。邏輯似乎合理：銅路中的任何限制都會增加電阻，從而增加熱量。因此，為了最小化熱量，我們必須最大化銅接觸。

那個邏輯是危險的，因為它忽略了生產流程。導致冷焊點的直接連接，其接觸電阻會比經過熱阻條件良好濕潤的接點高得多。那個冷焊點就像定時炸彈。在熱循環——比如電機控制器加熱和冷卻——下，冷焊的顆粒結構會裂開。一旦裂開，電阻就會飆升，焊點加熱，你最終會得到災難性的開路或火災。

這不僅限於大型連接器。同樣的熱不平衡也會引起較小被動元件的墓碑效應。如果你使用一個0603電容器將信號線連接到接地層，並在接地一側使用直接連接，信號側的焊料先融化。表面張力會將元件倒立，站立著。回流焊爐會均勻加熱電路板，但電路板不會 接受 均勻加熱。除非你做射頻工作，阻抗不連續是關鍵，或者處理的脈衝電流高到會瞬間蒸發掉一個輻條，否則在電源層上的直接連接通常是一個偽裝成優化的設計缺陷。

折衷方案的計算

引入熱阻：那些連接焊盤和電平的輻條，它們就像熱阻隔墻，恰到好處地限制熱流，使焊盤在60-90秒的回流窗口內達到溫度。

這就是恐懼開始的地方。如果你把輻條做得太薄，它們就會變成熔絲。

CAD的預設值會害死你。在KiCad或Eagle中的標準規則常常是為信號層調整的，創造出10密爾的輻條，當你通過它們推送20安培電流時會立即蒸發掉。你必須根據實際負載計算輻條的寬度。這是一種權衡：足夠的銅來承載電流，但又要足夠少以阻擋熱量。

從基本開始。確定每個引腳的電流。如果一個連接器引腳承載40安培，不要假設輻條需要單獨承載40安培。通常引腳本身是瓶頸，但假設你需要支援這個負載。使用IPC-2152標準來確定給定溫升所需的線徑寬。假設你需要100密爾的銅寬度來承載該電流，並且有四個輻條，那每個輻條就需要25密爾寬。

但等等。用3盎司銅的25密爾輻條仍然是一個重要的熱管。它可能對標準回流曲線來說太熱導了。你可能需要將輻條數量減少到兩個較寬的輻條，或增加輻條長度以創造更長的熱路。這是一個反覆迭代的過程。你在平衡輻條熔斷（電氣失效）風險與焊點永不濕潤（機械失效）風險。

這裡存在不確定性。IPC標準是保守的，而實際性能則取決於氣流和你的特定基材的熱傳導性。但你還是相信Saturn PCB Toolkit的數學會比猜測更好。而且，有些設計師試圖通過在焊盤周圍縫合竪立盅來增加垂直電流流動，但要記住，每個鍍層通孔都是另一個熱錨，將熱量從表面帶走。

DFM現實：技術員的掙扎

忽略這些計算而淹沒平面，你就等於與組裝車間宣戰。當一塊熱阻不良的電路板進入返修台時，它就變成了一個噩夢。

想像一個技術人員試圖在你的電路板上更換MOSFET，他們施加熱焊槍，但沒有任何反應，焊料沒有融化。他們在焊槍尖端加上新的焊料，以增加接觸面積。結果變成一團爛攤子。他們必須拿起熱板，固定電路板，並將整個組件預熱到150°C——烘烤電容器中的電解液——只是為了降低熱差，讓焊槍能跨越空隙。

這種熱應力會破壞FR-4材料並縮短電路板上每個其他元件的壽命。你可能用直接連接節省了2毫歐的電阻，但你為公司的重工時間和廢品組件付出了數千元的代價。一個無法重新加工的電路板就是一個一次性電路板。除非你是製作一次性消費玩具，否則可重工性是一個硬性需求。

爐子的設計

目標很簡單：誘使熱量停留在你需要的位置，直到形成金屬間鍵合，使焊點真正固定。

不要讓CAD工具左右你。進入設計規則，為你的電源網設置特定的類別。強制軟件使用計算的熱脈衝而非全局預設。在布局階段額外花一個小時來設置和驗證這些規則，這個小時可以在第一個原型製作出來、連接器掉落時節省數星期的調整時間。

我們常常迷失於追求完美電路圖，認為只要電子有路徑，任務就完成了。但如果製造過程失敗，電子永遠沒有流動的機會。厚銅層需要大量考慮熱力學。尊重熱量，在焊盤處阻止電子流動，讓焊料完成它的工作。