掌握PCB热设计核心原则：提升电子系统可靠性

据估计，超过一半的电子元件失效源于热环境引起的高应力。近年来，大规模、超大规模集成电路（IC）与表面贴装技术（SMT）广泛应用，电子产品向小型化、高密度、高可靠性发展。相应地，电子系统对热性能要求日益提高。作为电子设备的骨干，PCB（印制电路板）的合理设计直接决定其高性能表现。若PCB设计部分甚至完全不满足热要求，电子设备必将面临损坏风险甚至失效。电路模块集成度不断提升、IC与多芯片模块（MCM）大量应用，导致元件装配密度提高，进而使PCB热流密度增加。高质量PCB不仅源于精准合理的布局布线，更依赖高热可靠性保障安全运行。因此，对PCB实施全面的散热规则与分析至关重要。本文从热设计启动原则切入，介绍工程师友好的热设计规则，供电子设计人员便捷应用。

热设计基本原理

热设计基于传热学与流体力学基本理论。凡有温差，热量必从高温区向低温区传递。传热方式包括热传导、热对流、热辐射。

传热公式为：Φ=KAΔt，其中Φ为传热量（单位W），K为传热系数（单位W/(m²·K)），A为传热面积（单位m²），Δt为热流体与冷流体温差（单位K）。

PCB热设计定义为：通过散热措施，利用热传递特性或控制热流密度在可接受范围内，将热源到散热空间的热阻降至最低。为确保可靠性，必须从以下角度采取有效热设计措施：

• a. 自然冷却：无外力传导热量，含热传导、辐射传热、自然对流传热。
• b. 强制风冷：通过风扇或冲压空气使冷却气流流经电子器件，将热量从热源传至散热器。
• c. 流体冷却：分直接冷却（元件直接浸入冷却液）和间接冷却（通过换热器或冷板）两种。
• d. 蒸发冷却：目前最高效的导热方式，利用冷却介质沸腾实现热传递。
• e. 其他：热管、冷板、热电制冷。

热管理过程中，可根据实际运行环境（温度、湿度、气压、粉尘等）、板级热流密度、功率体积密度、总功耗、表面积、体积、散热器等特殊条件，选择合适热设计措施，确保温度均匀分布、温升在规定限值内。

热设计规则

热设计总目标：控制PCB上所有电子元件温度，保证电气性能稳定，避免或减少电气参数温漂，降低元件基础失效率，使运行环境温度不超最大允许值。本文从PCB上元件选用、PCB热设计、元件装配与PCB布局三个维度阐述热设计规则。

电子元件选用

1. 如何控制元件工作温度？

温度是影响元件性能与失效率的首要因素。应根据可靠性等级要求及各元件分配失效率，确定最高允许工作温度与功耗。表1列出了热设计可靠性视角下的元件允许最高表面温度值。

2. 如何控制元件结温？

元件结温取决于自身功耗、热阻和环境温度。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。
• 采用降额设计降低温升。
• 含功率元件的电路应依据精心热设计并遵循标准手册规范以保障可靠性。

3. 元件使用时如何进行降额设计？

根据需求实施降额设计，使元件在额定参数（功率、电压、电流）以下工作，从而大幅降低温升和失效率。

PCB热设计规则

PCB垂直装配有利于散热，板间距应≥20mm。板级热设计规则包括：

1. 选用耐高温、高导热系数材料作基板。高功率高密度电路可用铝基、陶瓷基板（PCBCart可制造此类基板PCB，可发送文件及数量需求获取报价）。
2. 多层结构是PCB散热的最佳选择。
3. 为提高电路板导热能力，最好使用散热板。多层PCB可应用金属芯板，实现板、支撑器件、散热器件间优异散热。必要时可用保护涂层和封装材料加速热传递。

4. 可利用母线排增强散热，兼具优异散热器功能，还能提升PCB抗干扰性能。
5. 增加金属箔厚度、内层导体使用大面积金属箔、适当加宽地线宽度，大面积地线既能增强抗干扰能力又能提升散热容量。

元件装配与PCB布局

元件布局对PCB热性能至关重要，特别是垂直放置的板卡。装配方向应顺应冷却剂流动特性，给冷却剂最小阻力。规则如下：

1. 自由对流风冷产品：IC等元件宜纵向排列（见图2）；强制风冷产品：宜横向排列（见图3）。
2. 同一PCB上元件按发热量和散热等级分区布置。低发热/低耐热元件（小信号三极管、小规模IC、电解电容等）置上游（入口端）；高发热/高耐热元件（功率三极管、超大规模IC等）置下游。小信号放大器周边放置温漂小的元件，液体介质电容远离热源。
3. 水平方向：大功率元件靠近PCB边缘，缩短传热路径；垂直方向：大功率元件靠近PCB上部，减少对其他元件温度影响。
4. 对温度敏感元件置于最低温区域（如产品底部），严禁置于发热元件正上方，应远离或隔离发热源。
5. 功耗最大、发热最多的元件置于最佳散热位置。高温元件不置于转角或边缘，除非周围配散热器。布局功率电阻时选较大封装并预留足够散热空间。
6. PCB上功率分布均匀，保持平衡一致，避免热点集中。虽难绝对均匀，但必须避免极高功率密度区域导致过热点破坏整电路正常工作。
7. PCB设计须充分考虑气流路径，合理布局元件。气流倾向低阻处流动，布局时避免形成过大气流空间。
8. PCB应用热装配技术实现良好传热。IC、微处理器等元件产生的热量半数以上通过引脚传给PCB，其装配孔应用金属化孔。也可将元件直接安装在导热柱或板上，降低元件热阻。
9. 最大限度降低大散热元件与PCB连接处热阻。可在芯片下使用导热材料满足热属性要求，保持接触区元件散热。
10. 元件与PCB连接时缩短引脚。选大功耗元件时考虑引脚材料导电性，优选截面大、引脚多的元件。

其他要求

1. 元件封装：热设计中考虑封装类型与导热率，基板与封装间提供导热路径，避免导热路径上有气隙。
2. 工艺方法：双面贴装元件区域易产生局部高温。可在锡膏中添加细铜粉，使焊点在元件下隆起一定高度，增加元件与PCB间气隙，改善热对流。
3. 散热孔：PCB上设置散热孔和盲孔，有效增加散热面积，降低热阻，提高PCB功率密度。

热分析

基于计算传热学，热分析数值计算方法主要包括有限差分法、有限元法、边界元法，涉及模型简化、数学建模、非线性方程求解、分析程序编制调试与计算、热参数测量测试。

作为热设计基础环节，热分析是评价热设计优劣的重要方法。PCB热分析指根据PCB结构材料、元件封装类型、运行环境，建立元件热模型、设定仿真控制参数，预估PCB热行为数值。热分析须在概念阶段布局前开始，并贯穿整个PCB设计过程。

热分析可获得元件温度、板温、气流温度数值，以彩色图、温度等温线图或具体数据形式展示PCB热特性。

基于热分析结果，可快速发现PCB热问题并及时采取措施，消除高温密集区，确定导热路径，优化关键元件位置、散热器形状尺寸，充分发挥散热率，提高散热孔与散热器传热效率，确定板间距与板上元件间距。

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参考资源
• PCB热设计考量
• 基于热模型的PCB内部散热设计
• 金属基PCB：解决PCB/PCBA热问题的理想方案
• 如何评估PCB制造商或组装商
• PCBCart全功能PCB制造服务
• PCBCart高阶PCB组装服务