PCB 設(shè)計(jì)進(jìn)階：PCB熱設(shè)計(jì)優(yōu)化

對于硬件工程師而言，PCB 設(shè)計(jì)水平直接影響電子產(chǎn)品的性能與穩(wěn)定性。在之前的系列文章中，我們探討了 PCB 設(shè)計(jì)的眾多關(guān)鍵要點(diǎn)，本文將繼續(xù)深入，聚焦一些容易被忽視卻又至關(guān)重要的方面，助力硬件工程師進(jìn)一步提升 PCB 設(shè)計(jì)技能。

一、布局設(shè)計(jì)

①高功率發(fā)熱元件是否放置在靠近 PCB 邊緣或通風(fēng)口等易于散熱的區(qū)域？可利用 CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）模擬軟件，分析不同放置位置的空氣流動(dòng)與散熱效果，從而確定最佳位置。




②發(fā)熱元件之間是否保持足夠的間距以避免熱量聚集？可依據(jù)熱仿真分析結(jié)果，設(shè)定合適的間距值，保證熱量有效散發(fā)。發(fā)熱器件應(yīng)盡可能分散布置，使 得單板表面熱耗均勻，有利于散熱。




③敏感元件是否遠(yuǎn)離發(fā)熱元件？通過熱影響區(qū)域分析，確定敏感元件與發(fā)熱元件之間的安全距離。不要使熱敏感器件或功耗大的器 件彼此靠近放置，使得熱敏感器件 遠(yuǎn)離高溫發(fā)熱器件，常見的熱敏感 的器件包括晶振、內(nèi)存、CPU等。要把熱敏感元器件安排在最冷區(qū)域。對自然對流冷卻設(shè)備，如果外殼密封，要把熱敏感器件置于底部，其它元器件置于上部；如果外 殼不密封，要把熱敏感器件置于冷 空氣的入口處。對強(qiáng)迫對流冷卻設(shè) 備，可以把熱敏感元器件置于氣流入口處。




④ 參考板內(nèi)流速分布特點(diǎn)進(jìn)行器件布局設(shè)計(jì)，在特定風(fēng)道內(nèi) 面積較大的單板表面流速不可避免存在不均勻問題，流速大的 區(qū)域有利于散熱，充分考慮這一因素進(jìn)行布局設(shè)計(jì)將會(huì)使單板 獲得較優(yōu)良的散熱設(shè)計(jì)。




⑤對于通過PWB散熱的器件，由于依靠的是PWB的整體面積來散熱，因此即使器件處于局部風(fēng)速低的區(qū)域內(nèi)，也并不一定會(huì)有散熱問題，在進(jìn)行充分熱分析驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，沒有必要片 面要求單板表面風(fēng)速均勻。




⑥當(dāng)沿著氣流來流方向布置的一系列器件都需要加散熱器時(shí)，器件盡量 沿著氣流方向錯(cuò)列布置，可以降低上下游器件相互間的影響。如無法交錯(cuò) 排列，也需要避免將高大的元器件（結(jié)構(gòu)件等）放在高發(fā)熱元器件的上方。






⑦對于安裝散熱器的器件，空氣流經(jīng)該器件時(shí)會(huì)產(chǎn)生繞流，對該器件兩 側(cè)的器件會(huì)起到換熱系數(shù)強(qiáng)化作用；對該器件下游的器件，換熱系數(shù)可能會(huì)加強(qiáng)，也可能會(huì)減弱，因此對于被散熱器遮擋的器件需要給出特別關(guān)注。




⑧注意單板風(fēng)阻均勻化的問題：單板上器件盡量分散均勻布置，避免沿 風(fēng)道方向留有較大的空域，從而影響單板元器件的整體散熱效果。

在電子設(shè)備運(yùn)行時(shí)，芯片和其他元件會(huì)產(chǎn)生熱量，如果熱量不能有效散發(fā)，會(huì)導(dǎo)致元件性能下降甚至損壞。在布局時(shí)，要將發(fā)熱量大的元件（如功率芯片、大功率電阻等）放置在利于散熱的位置，比如靠近進(jìn)風(fēng)口，或者風(fēng)速較大的位置。同時(shí)，要避免將對溫度敏感的元件（如晶體振蕩器、某些傳感器）放置在發(fā)熱元件附近，防止其性能受溫度影響。

例如，在設(shè)計(jì)一款工業(yè)控制板時(shí)，將功率 MOSFET 集中放置在 PCB 邊緣，并在其下方設(shè)置大面積的散熱銅箔，同時(shí)在銅箔上添加過孔，形成 “熱過孔”，有效增強(qiáng)了散熱效果。通過這種方式，該控制板在長時(shí)間高負(fù)載運(yùn)行下，關(guān)鍵元件的溫度仍能保持在合理范圍內(nèi)，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，穩(wěn)定的溫度環(huán)境對信號完整性也有積極影響。過熱可能導(dǎo)致元件參數(shù)漂移，進(jìn)而影響信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性 ，良好的熱管理能為信號的穩(wěn)定傳輸提供基礎(chǔ)條件。

2、不同封裝的器件采用合適的散熱設(shè)計(jì)

好的單板散熱方案必須針對器件的散熱特性進(jìn)行設(shè)計(jì)! THD器件的管腳數(shù)量少，焊接后封裝也不緊貼單板，與單板的熱關(guān)聯(lián)性很 小，該類器件的熱量都是通過器件表面散到環(huán)境中。因此早期的器件散熱研究 比較注重于器件表面的空氣流動(dòng)，以期獲得比較高的器件表面對流換熱系數(shù)。

SMD器件集成度高，熱耗也大，是散熱關(guān)注的重點(diǎn)。該類器件的管腳/焊 球數(shù)量多，焊接后封裝也緊貼單板，與單板建立起緊密的換熱聯(lián)系，散熱方案 必須從單板整體散熱的角度進(jìn)行分析。SMD器件針對散熱需求也出現(xiàn)了多種強(qiáng) 化散熱的封裝，這些封裝的種類繁多，但從散熱角度進(jìn)行歸納分類，以引腳封 裝和焊球封裝最為典型，其它封裝的散熱特性可以參考這兩種類推。

PGA類的針狀管腳器件基本忽略單板散熱，以表面散熱為主，例如CPU等。

【設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)】共用散熱器，需要考慮器件公差及導(dǎo)熱硅膠的厚度。

EGPU單板，公司熱設(shè)計(jì)的仿真結(jié)論溫度比較高，而使用相同的仿真模型，Intel散熱仿真模型的溫度比較低，經(jīng)過下午與Intel討論，分析原因是Intel建立的仿真模型，CPU與散熱器的導(dǎo)熱膠厚度為0.13mm，而我們目前仿真模型中使用的仿真模型是0.3mm。導(dǎo)致：Intel仿真模型中CPU的溫度是95攝氏度，而我們的仿真結(jié)果是：大于116攝氏度。而0.3mm是參考兩個(gè)器件公差，得出的經(jīng)驗(yàn)值，選取了概率比較高的一個(gè)參考值。而Intel認(rèn)為：如果螺釘安裝采用彈性橡膠墊，在PCH上添加導(dǎo)熱墊（較厚），CPU上添加導(dǎo)熱膠，能保證CPU與散熱器粘合充分。

1、能否達(dá)到0.2mm，或者達(dá)到0.13mm，需要結(jié)構(gòu)和工藝確認(rèn)。

2、如何能夠達(dá)到0.13mm的間隙，需要Intel提供依據(jù)，或者能夠提供案例和解決方案。

三、PCB輔助散熱

對于電子設(shè)備來說，工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，從而使設(shè)備內(nèi)部溫度迅速上升，如果不及時(shí)將該熱量散發(fā)出去，設(shè)備就會(huì)持續(xù)的升溫，器件就會(huì)因過熱而失效，電子設(shè)備的可靠性能就會(huì)下降。因此，對電路板進(jìn)行很好的散熱處理是非常重要的。

1 、加散熱銅箔和采用大面積電源地銅箔。

根據(jù)上圖可以看到：連接銅皮的面積越大，結(jié)溫越低

根據(jù)上圖，可以看出，覆銅面積越大，結(jié)溫越低。

2、熱過孔

熱過孔能有效的降低器件結(jié)溫，提高單板厚度方向溫度的均勻性，為在 PCB 背面采取其他散熱方式提供了可能。通過仿真發(fā)現(xiàn)，與無熱過孔相比，在器件熱功耗為 2.5W 、間距 1mm 、中心設(shè)計(jì) 6x6 的熱過孔能使結(jié)溫降低 4.8°C 左右，而 PCB 的頂面與底面的溫差由原來的 21°C 減低到 5°C 。熱過孔陣列改為 4x4 后，器件的結(jié)溫與 6x6 相比升高了 2.2°C ，值得關(guān)注。

3、IC背面露銅，減小銅皮與空氣之間的熱阻

在熱管理方面，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)如 IPC-2221B《印制板設(shè)計(jì)通用標(biāo)準(zhǔn)》雖未專門針對熱管理進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定，但在整體設(shè)計(jì)原則中強(qiáng)調(diào)了電氣、機(jī)械和熱性能之間的平衡 。工程師在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)參考該標(biāo)準(zhǔn)，確保熱管理措施不會(huì)對 PCB 的其他性能產(chǎn)生負(fù)面影響。比如，大面積散熱銅箔的設(shè)計(jì)不能影響 PCB 的機(jī)械強(qiáng)度，熱過孔的設(shè)置要考慮對其他線路和元件的影響。

四、熱阻分析

是否對 PCB 整體熱阻進(jìn)行了計(jì)算和分析？

關(guān)鍵路徑的熱阻是否在可接受范圍內(nèi)？

熱量傳遞過程中，溫度差是過程的動(dòng)力，好象電學(xué)中的電壓，換熱 量是被傳遞的量，好像電學(xué)中的電流，因而上式中的分母可以用電學(xué)中 的電阻概念來理解成導(dǎo)熱過程的阻力，稱為熱阻（thermal resistance）， 單位為℃/W, 其物理意義就是傳遞1W 的熱量需要多少度溫差。在熱設(shè)計(jì)中將熱阻標(biāo)記為R或θ。δ/(λA)是導(dǎo)熱熱阻，1/αA是對流換熱熱阻。器件的資料中一般都會(huì)提供器件的Rjc和Rja熱阻，Rjc是器件的結(jié)到殼的導(dǎo)熱熱阻；Rja是器件的結(jié)到殼導(dǎo)熱熱阻和殼與外界環(huán)境的對流換熱熱阻之和。這些熱阻參數(shù)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試獲得，也可以根據(jù)詳細(xì)的器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)計(jì)算得到。根據(jù)這些熱阻參數(shù)和器件的熱耗，就可以計(jì)算得到器件的結(jié)溫。

兩個(gè)名義上相接觸的固體表面， 實(shí)際上接觸僅發(fā)生在一些離散的面積 元上，如右圖所示，在未接觸的界面 之間的間隙中常充滿了空氣，熱量將 以導(dǎo)熱和輻射的方式穿過該間隙層， 與理想中真正完全接觸相比，這種附 加的熱傳遞阻力稱為接觸熱阻。降低 接觸熱阻的方法主要是增加接觸壓力 和增加界面材料（如硅脂）填充界面 間的空氣。在涉及熱傳導(dǎo)時(shí)，一定不 能忽視接觸熱阻的影響，需要根據(jù)應(yīng) 用情況選擇合適的導(dǎo)熱界面材料，如 導(dǎo)熱脂、導(dǎo)熱膜、導(dǎo)熱墊等。

我們可以優(yōu)化：

導(dǎo)熱材料的選型、涂抹或者粘貼的工藝、優(yōu)化厚度、增加氣流、改善散熱器、降低熱源功率等等。

總之，PCB 設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性的工程，需要硬件工程師在布局、布線、熱管理。通過遵循相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不斷學(xué)習(xí)和實(shí)踐，積累經(jīng)驗(yàn)，解決實(shí)際設(shè)計(jì)中遇到的各種問題，才能逐步提升 PCB 設(shè)計(jì)技能，打造出高性能、高可靠性的電子產(chǎn)品。