最全面的 PCB 热设计原理

据估计，超过一半的电子元件因热环境产生的高应力而失效。近年来，大规模和超大规模集成电路（IC）和表面贴装技术（SMT）的广泛设备和电子产品开始拥抱小型化、高密度和高可靠性的发展方向。因此，电子系统对热性能的要求越来越高。毕竟，随着电子产品的出现，热管理在决定电子系统的性能和功能方面起着至关重要的作用。

作为电子设备的支柱，PCB（印刷电路板）的合理设计确保了它们的高性能。如果PCB设计部分甚至完全不能满足散热要求，电子设备肯定会面临损坏风险甚至失效。电路模块的不断提高的完整性以及 IC 和多芯片模块 (MCM) 的大量应用有助于提高组件组装密度，从而导致 PCB 上的热流密度更高。高质量的 PCB 不仅源于准确合理的布局和布线，还依赖于高热可靠性以确保安全运行。因此，对PCB实施全面的散热规律和分析具有重要意义。本文从启动热设计原则开始，介绍了对工程师友好的热设计规则，供电子设计人员在工作中方便地应用。

热设计的基本原理

热设计基于传热和流体力学的基本理论。有温差的地方，就有高温区向低温区的传热。传热可以通过热传导、热对流和热辐射来实现。

传热公式表示为：φ=KAΔt，其中φ代表传热量，单位为W，K代表传热系数，单位为W/(m ² x K)，A代表传热面积，单位为m ² Δt为热流体与冷流体的温差，单位为K。

PCB的热设计定义为通过热传递属性或热流体密度控制在可接受范围内的冷却措施，将热源到热消耗空间的热阻降至最低的过程。为了保证其可靠性，必须从以下几个方面采取有效的热设计措施，包括：
a．自然冷却，无需外力即可传导热量。它包括热传导、辐射热传递和自然对流传递。
b．强制风冷。它使冷却空气流过电子设备或组件，通过通风机或冲压空气将热量从热源传递到散热器。
c．流体冷却。流体冷却有两种方法：
1）。直接流体冷却是指将部件直接浸入流体冷却剂中的过程。
2)。间接流体冷却是指部件不直接与流体冷却剂接触的过程。但是，冷却是通过热交换器或冷板进行的。
d．蒸发冷却。是目前最有效的导热方式。传热是通过冷却介质的沸腾来实现的。
e．其他类型的冷却措施：热管、冷板、热电制冷。

在热管理过程中，可根据实际运行环境（温度、湿度、大气压、灰尘等）、板上热流体密度、功率体积密度和总功耗等实际情况，制定适当的热设计措施、表面积、体积、散热片等特殊条件，以保证温度分布均匀，温升在规定的限定值内合理。

散热设计规则

热设计的一般目的是控制电子产品内部电路板上组装的所有电子元件的温度，以保证电气性能的稳定性，避免或降低电气参数的温度漂移，降低元件的基本故障率，并使操作环境中的温度不超过最高允许温度。本文从PCB上元器件的利用、PCB的热设计、元器件组装和PCB布局3个方面描述了PCB热设计规则。

一个。电子元器件的利用

1）。如何控制元器件的工作温度？

温度是影响组件性能和故障率的首要因素。最高允许工作温度和功耗应根据所需的可靠性水平和各部件的分布故障率确定。表1从热设计可靠性的角度给出了元器件允许的最高表面温度值。

2）。如何控制元件结温？

元件结温取决于其自身的功耗、热阻和环境温度。因此，将结温控制在允许范围内的措施包括：
• 选用内部热阻低的元件。
• 降额用于降低温升。
• 电路，特别是那些包含电源组件的组件，应依赖于精心设计的热设计以确保可靠性，并符合标准手册中描述的指南。

3）。使用元器件时如何设计降额？

实际使用中可根据需要进行降额设计，使元器件在低于额定参数（功率、电压、电流）的条件下工作，从而大幅降低温升和故障率。

湾。 PCB的热设计规则

PCB的垂直组装有利于散热，板之间的距离应保持至少20mm。板卡热设计规则包括：
1)。选用具有抗高温能力和高导电参数的材料作为PCB的基板材料。对于高功率和高密度电路，铝基和陶瓷由于其低热阻可用作基板材料（PCBCart完全有能力使用这些基板材料制造PCB。您可以将PCB文件连同数量要求一起发送在此页面上查看铝基和陶瓷基 PCB 报价）。
2）。多层结构是PCB散热的最佳选择。
3)。为了提高电路板的导热能力，最好使用散热板。金属芯板可应用在多层PCB中，使板、支撑器件和散热器件之间的散热性能良好。必要时可使用保护涂层和封装材料，以加速热传递到支撑装置或散热装置。

4）。为了增加PCB的散热能力，可以使用母排，它可以说是一种很好的散热器，可以增加PCB的抗干扰性能。
5）。为提高PCB的散热能力，应增加金属箔的厚度，内导体应使用大面积的金属箔。此外，地线宽度要适当增加，因为大面积的地线既能增加抗干扰能力，又能提高散热能力。

C。元器件组装和PCB布局

元件布局对于 PCB 的热性能非常重要，尤其是垂直放置的 PCB。组件装配方向应符合冷却液的流动特性，以提供阻力最小的冷却液。在装配和布局方面适用于组件的规则包括：

1）。对于采用自然对流风冷方式的产品，最好将IC或其他元器件纵向排列，如下图2所示。对于采用强制风冷方式的产品，最好将IC或其他元器件排列成拉长排列，如下图3所示。

2）。同一PCB上的元器件应根据其热生产率和散热水平进行分类放置。发热率低或耐热性低的元件（小信号晶体管、小型IC、电解电容器等）应放置在上游（入口），而发热率高或耐热性高的元件（频率晶体管、超大规模IC等）应放置在下游。在小信号放大器的外围应放置温漂小的元件，液体介质电容应远离热源。
3）。在水平方向上，高频元件应靠近 PCB 边缘布置，以尽量减少热传递路径。在垂直方向，高频元件应靠近PCB的上部布置，以减少其对其他元件温度的影响。
4）。对温度敏感的元件应布置在产品底部等温度最低的区域。不得将其放置在发热元件正上方，应远离发热元件放置或与发热元件隔离。
5)。功耗和发热最多的元件应布置在散热最佳的位置附近。除非在其周围布置了散热器，否则切勿将高温组件布置在角落或边缘。布置功率电阻时，应选择较大的元件，并在PCB布局过程中为其留有足够的散热空间。
6）。功率应均匀分布在 PCB 上，以保持平衡和一致性，避免热点集中。很难达到严格的均匀性，但必须避开功率极高的区域，以免过热点破坏整个电路的正常运行。
7）。在PCB设计过程中，必须充分考虑气流路径，合理安排元器件。空气倾向于流向阻力小的地方，所以在PCB上布置元件时应避免相对较大的空域。
8）。电路板上应采用热组装技术，以达到较好的传热效果。 IC和微处理器等元件产生的热量有一半以上是通过自己的引线传递到PCB的，这些引线的组装孔应该使用金属电镀孔。这些元件也可以直接安装在导热棒或板上，以减少元件引起的热阻。
9)。散热高的元器件与PCB的连接处应尽量降低热阻。为了满足热属性的要求，可以在芯片下方使用一些导热材料，并保持接触区的元器件散热。
10）。在元器件与PCB的连接中，应缩短元器件的引脚。选择高功耗元件时，应考虑引线材料的导电性。如果可能，选择引线横截面较大且引脚数最多的元件。

d。其他要求
1)。元器件封装：PCB热设计中应考虑元器件封装类型和导热率。基板与元器件封装之间可设置热传导通路，热传导通路应避免空气中断。
2)。技术方法：板子两侧有元器件的区域会产生局部高温。为了改变散热条件，可以在焊膏中加入一些细铜，使焊点在元件下方上升到一定高度。增加元件与PCB之间的空隙，从而改善热对流。
3)。散热孔：可以在PCB板上设置一些散热孔和盲孔，有效增加散热面积，降低热阻，提高PCB的功率密度。

热分析

以计算传热为基础的热分析，其数值计算方法主要包括有限差分法、有限元法和边界元法，是指简化模块、建立数学模块、求解非线性方程、制定和调整解析程序和热参数的计算、测量和测试。

作为热设计的一个基本方面，热分析是评估热设计重要性的重要方法。 PCB热分析是指根据PCB的结构和原材料、元器件的封装类型和PCB工作环境，建立元器件热模块，设置仿真控制参数，估计PCB热行为值的过程。热分析必须在布局前的概念阶段和PCB设计的整个过程中进行。

可以通过热分析获得元件温度、板温和气流温度的数值，以彩色图片、温度等温线可视化图形或具体数据的形式展示PCB的热属性。

根据热分析的结果，可以快速发现PCB的热问题，及时采取适当的措施，消除高温密集区，从而确定热传导路径，优化关键元件的位置，形状充分利用散热率，提高散热孔和散热器的传热效率，确定板子与板上元器件的间距。

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