PCB 設計進階：PCB熱設計優(yōu)化

對于硬件工程師而言，PCB 設計水平直接影響電子產品的性能與穩(wěn)定性。在之前的系列文章中，我們探討了 PCB 設計的眾多關鍵要點，本文將繼續(xù)深入，聚焦一些容易被忽視卻又至關重要的方面，助力硬件工程師進一步提升 PCB 設計技能。

一、布局設計

①高功率發(fā)熱元件是否放置在靠近 PCB 邊緣或通風口等易于散熱的區(qū)域？可利用 CFD（計算流體動力學）模擬軟件，分析不同放置位置的空氣流動與散熱效果，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？可依據熱仿真分析結果，設定合適的間距值，保證熱量有效散發(fā)。發(fā)熱器件應盡可能分散布置，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 遠離高溫發(fā)熱器件，常見的熱敏感 的器件包括晶振、內存、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。對強迫對流冷卻設 備，可以把熱敏感元器件置于氣流入口處。




④ 參考板內流速分布特點進行器件布局設計，在特定風道內 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行布局設計將會使單板 獲得較優(yōu)良的散熱設計。




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速低的區(qū)域內，也并不一定會有散熱問題，在進行充分熱分析驗證的基礎上，沒有必要片 面要求單板表面風速均勻。




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






⑦對于安裝散熱器的器件，空氣流經該器件時會產生繞流，對該器件兩 側的器件會起到換熱系數強化作用；對該器件下游的器件，換熱系數可能會加強，也可能會減弱，因此對于被散熱器遮擋的器件需要給出特別關注。




⑧注意單板風阻均勻化的問題：單板上器件盡量分散均勻布置，避免沿 風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。

在電子設備運行時，芯片和其他元件會產生熱量，如果熱量不能有效散發(fā)，會導致元件性能下降甚至損壞。在布局時，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，比如靠近進風口，或者風速較大的位置。同時，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，在設計一款工業(yè)控制板時，將功率 MOSFET 集中放置在 PCB 邊緣，并在其下方設置大面積的散熱銅箔，同時在銅箔上添加過孔，形成 “熱過孔”，有效增強了散熱效果。通過這種方式，該控制板在長時間高負載運行下，關鍵元件的溫度仍能保持在合理范圍內，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。過熱可能導致元件參數漂移，進而影響信號傳輸的準確性和穩(wěn)定性 ，良好的熱管理能為信號的穩(wěn)定傳輸提供基礎條件。

2、不同封裝的器件采用合適的散熱設計

好的單板散熱方案必須針對器件的散熱特性進行設計! THD器件的管腳數量少，焊接后封裝也不緊貼單板，與單板的熱關聯性很 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，以期獲得比較高的器件表面對流換熱系數。

SMD器件集成度高，熱耗也大，是散熱關注的重點。該類器件的管腳/焊 球數量多，焊接后封裝也緊貼單板，與單板建立起緊密的換熱聯系，散熱方案 必須從單板整體散熱的角度進行分析。SMD器件針對散熱需求也出現了多種強 化散熱的封裝，這些封裝的種類繁多，但從散熱角度進行歸納分類，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。

【設計經驗】共用散熱器，需要考慮器件公差及導熱硅膠的厚度。

EGPU單板，公司熱設計的仿真結論溫度比較高，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。導致：Intel仿真模型中CPU的溫度是95攝氏度，而我們的仿真結果是：大于116攝氏度。而0.3mm是參考兩個器件公差，得出的經驗值，選取了概率比較高的一個參考值。而Intel認為：如果螺釘安裝采用彈性橡膠墊，在PCH上添加導熱墊（較厚），CPU上添加導熱膠，能保證CPU與散熱器粘合充分。

1、能否達到0.2mm，或者達到0.13mm，需要結構和工藝確認。

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

三、PCB輔助散熱

對于電子設備來說，工作時都會產生一定的熱量，從而使設備內部溫度迅速上升，如果不及時將該熱量散發(fā)出去，設備就會持續(xù)的升溫，器件就會因過熱而失效，電子設備的可靠性能就會下降。因此，對電路板進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。

根據上圖可以看到：連接銅皮的面積越大，結溫越低

根據上圖，可以看出，覆銅面積越大，結溫越低。

2、熱過孔

熱過孔能有效的降低器件結溫，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，與無熱過孔相比，在器件熱功耗為 2.5W 、間距 1mm 、中心設計 6x6 的熱過孔能使結溫降低 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，器件的結溫與 6x6 相比升高了 2.2°C ，值得關注。

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)標準如 IPC-2221B《印制板設計通用標準》雖未專門針對熱管理進行詳細規(guī)定，但在整體設計原則中強調了電氣、機械和熱性能之間的平衡 。工程師在設計時應參考該標準，確保熱管理措施不會對 PCB 的其他性能產生負面影響。比如，大面積散熱銅箔的設計不能影響 PCB 的機械強度，熱過孔的設置要考慮對其他線路和元件的影響。

四、熱阻分析

是否對 PCB 整體熱阻進行了計算和分析？

關鍵路徑的熱阻是否在可接受范圍內？

熱量傳遞過程中，溫度差是過程的動力，好象電學中的電壓，換熱 量是被傳遞的量，好像電學中的電流，因而上式中的分母可以用電學中 的電阻概念來理解成導熱過程的阻力，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。在熱設計中將熱阻標記為R或θ。δ/(λA)是導熱熱阻，1/αA是對流換熱熱阻。器件的資料中一般都會提供器件的Rjc和Rja熱阻，Rjc是器件的結到殼的導熱熱阻；Rja是器件的結到殼導熱熱阻和殼與外界環(huán)境的對流換熱熱阻之和。這些熱阻參數可以根據實驗測試獲得，也可以根據詳細的器件內部結構計算得到。根據這些熱阻參數和器件的熱耗，就可以計算得到器件的結溫。

兩個名義上相接觸的固體表面， 實際上接觸僅發(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。在涉及熱傳導時，一定不 能忽視接觸熱阻的影響，需要根據應 用情況選擇合適的導熱界面材料，如 導熱脂、導熱膜、導熱墊等。

我們可以優(yōu)化：

導熱材料的選型、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 設計是一個綜合性的工程，需要硬件工程師在布局、布線、熱管理。通過遵循相關行業(yè)標準，不斷學習和實踐，積累經驗，解決實際設計中遇到的各種問題，才能逐步提升 PCB 設計技能，打造出高性能、高可靠性的電子產品。