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一、為什么PCB熱管理越來越重要

隨著電子設備的計算能力不斷提升，PCB上的功耗密度也隨之增加。像功率模塊、處理器、LED驅動板、射頻通信板等應用場景中，發(fā)熱量都非常大。如果沒有合理的散熱設計，局部溫度升高會造成器件失效、信號漂移甚至燒毀電路板。

PCB溫升不僅影響器件壽命，還會導致材料性能退化、焊點開裂和電性能下降。例如，某些芯片的最大結溫為125℃，當環(huán)境溫度為55℃時，允許的溫升僅有70℃。如果散熱路徑不暢，芯片周圍就可能超過這一限制，導致不可逆損壞。

所以，在PCB設計中合理進行熱管理，是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行、延長使用壽命的必要條件。

二、PCB熱量產(chǎn)生的主要來源與傳導方式

1. 熱量從哪里來

在PCB設計中，熱源主要來自以下幾個方面：

• 高功率芯片：如CPU、功率MOSFET、FPGA等。它們在工作時會消耗較多電流，發(fā)熱量大。

• 線圈、電感器件：工作在高頻狀態(tài)下也會產(chǎn)生明顯熱量。

• PCB走線：高電流通過較細的銅線也會引起電阻性發(fā)熱。

• 整體系統(tǒng)熱耦合：板卡密集布置在封閉系統(tǒng)內，熱量不容易擴散出去。

2. 熱量怎么傳導

熱量在PCB中的傳導主要通過三種方式：

• 傳導：熱從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域轉移，PCB內的銅箔、介質、器件本體都可傳導熱量。

• 對流：熱從PCB表面向空氣擴散，依賴于空氣流動和表面接觸。

• 輻射：高溫面板向外部空間釋放紅外輻射熱量。

在實際應用中，傳導是最主要的方式，其次是對流。輻射只在極高溫下才起顯著作用。

三、PCB熱管理的常見問題

1. 功率密度過高

當多個發(fā)熱元件集中布置在狹小區(qū)域內，容易出現(xiàn)熱點。這種熱點區(qū)域的溫升快，冷卻慢，會對周圍元件帶來熱應力。

2. 銅箔厚度不足

有些設計為了節(jié)省空間或成本，采用1oz或更薄銅箔。對于大電流路徑來說，過細的線寬和過薄的銅厚，會導致明顯的溫升。

3. 散熱路徑中斷

熱量需要路徑才能從芯片傳導到外部。有些布線方式、焊盤設計或過孔安排不合理，會讓熱量“堵住”，導致局部溫度異常升高。

4. 封裝散熱能力差

并非所有芯片封裝都具備良好熱通道。像QFN、DFN等無引腳結構，如果沒有在底部設置良好散熱焊盤和導熱孔，芯片熱量無法釋放出去。

四、PCB熱管理的關鍵策略

1. 合理布置發(fā)熱器件

將高功率元件盡量分散在PCB板上，避免集中布置，降低熱點疊加效應。應將發(fā)熱器件放在板邊或靠近金屬殼體位置，方便向外導熱。

高熱量元件之間應保留足夠的空隙。若必須靠近放置，應設計專門的散熱路徑，如銅皮島、導熱柱、熱過孔等。

2. 增加銅面積

銅箔是PCB中熱傳導最有效的材料?？刹捎靡韵聨追N方式增強銅的散熱能力：

• 加寬電源線、地線和關鍵信號線的線寬

• 擴大功率器件下方銅皮焊盤面積

• 外圍設計“銅皮島”并連接到器件焊盤，形成熱擴散區(qū)

• 在內層電源或地層形成大片銅面，傳導熱量到板外

一般來說，銅越厚、越寬，導熱能力越強。對需要承載高電流的區(qū)域，建議采用2oz銅箔甚至更高規(guī)格。

3. 使用熱過孔

熱過孔是在發(fā)熱器件下方或附近布置的一組導熱過孔，用于將熱量從表層導入內層或底層銅面。這種方式可以顯著降低芯片熱阻，提高熱傳導效率。

熱過孔的設計建議如下：

• 過孔孔徑在0.3～0.5mm之間

• 過孔數(shù)量取決于器件發(fā)熱量和銅面面積，一般不少于4～9個

• 過孔焊盤應與銅皮直接相連，不能斷開

• 過孔之間間距保持0.8～1.0mm，避免焊料流失過多

熱過孔配合底層銅皮島使用效果更佳，可將熱迅速導向PCB底部或金屬外殼。

4. 引入散熱器或金屬結構

對于散熱要求極高的系統(tǒng)，可以在PCB上安裝散熱器，或直接將熱量傳導至鋁殼、金屬板等外部結構。這種方式適用于電源轉換器、功率模塊、LED驅動器等場景。

注意要選用導熱系數(shù)高的導熱膠或導熱墊片，將芯片和金屬結構緊密貼合，減少接觸熱阻。

如果條件允許，也可采用金屬基板，如鋁基PCB，這類板熱導率高、平整度好，適合LED照明等行業(yè)。

5. 優(yōu)化板材選擇

不同PCB基材的導熱系數(shù)不同。FR-4是最常用的材料，但導熱率僅為0.3～0.4W/m·K。對于需要良好導熱的產(chǎn)品，可以選用高導熱陶瓷基板、金屬基板或復合材料。

6. 提高自然或強制對流

在系統(tǒng)設計上，通過增加風道、開孔、安裝風扇等方式提升對流散熱能力也非常有效。自然對流適用于輕載設備，強制風冷適用于發(fā)熱集中的系統(tǒng)。

PCB中器件布局應順著氣流方向排列，從而讓冷空氣先流過低熱器件，最后帶走高熱元件的熱量。

五、結合仿真進行熱優(yōu)化

現(xiàn)代PCB設計工具已集成熱仿真模塊。通過熱仿真可以提前預測熱點區(qū)域、溫度分布、散熱路徑等。常用軟件如ANSYS、FloTHERM、Altium Designer等。

在熱仿真中，工程師可調整器件位置、銅皮面積、過孔數(shù)量等參數(shù)，模擬不同環(huán)境溫度下的熱響應。這樣可以減少實際試驗次數(shù)，提高設計準確性。

仿真結果建議用等溫圖和氣流圖可視化，快速識別溫度超過限制的區(qū)域。結合數(shù)據(jù)，進一步調整設計以滿足熱設計目標。

熱管理是設計中不可忽視的基本功

PCB的熱管理不只是靠裝個風扇，更要從布局布線、材料選型、銅皮設計、過孔安排等多方面著手。一個可靠的散熱設計能顯著提高電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性、壽命和安全性。

在實際項目中，建議設計人員盡早關注熱問題，不要等產(chǎn)品樣品做出來后才發(fā)現(xiàn)溫升過高。應當將熱管理作為設計初期就納入的考慮因素，并通過仿真與實際驗證相結合的方法，不斷優(yōu)化系統(tǒng)熱性能。