专家级PCB热设计：热管理实用技巧

随着功率元件封装向更小尺寸表面贴装发展，在PCB设计中制定连贯方法以缓解这些元件热耗散需求变得重要。虽然开发PCB设计热特性的精确数学分析可能是复杂过程，但可应用一些简单规则改善设计热传导。最终，妥善控制设计热耗散将使您生产更可靠、更经济的PCB设计。以下简要讨论标准热耗散模型，然后提供处理设计热耗散的通用规则。

首先定义本文后续使用的术语。下图展示功率IC在讨论热管理时必须考虑的不同组成部分。我们将贯穿全文讨论元件结、顶部和外壳的温度及其对环境的热阻。

掌握这些术语后，简要查看用于模拟元件热耗散的标准模型。热阻通常建模为电阻网络。元件标准模型如下图：

图中T_J定义为结温（元件内部工作部分），T_T为封装"顶部"温度（通常为元件塑料外壳），T_C为"外壳"温度（高导热焊盘及所连PCB温度），T_A为环境温度。电子设计师目标是使结与环境间热阻最低。除θ_CA外，系统热阻（θ_JT、θ_TA、θ_JC）由元件属性决定，可从数据手册获取。作为PCB设计师，我们主要影响θ_CA值，这取决于PCB设计。因此，设计师主要挑战是通过降低此热阻，减小IC外壳到环境的热阻（θ_CA）。我们降低此热阻（θ_CA）的效果将很大程度上决定环境与元件结间将产生的温差（或无温差）。

值得注意的是，另一热传导路径是元件塑料外壳（或"顶部"）。因大多数功率元件塑料封装不提供良好环境热路径，设计热耗散效率更依赖于通过外壳将热能耗散到周围环境。唯一例外是功率IC设计有位于顶部的热焊盘。此时IC设计为直接在顶部连接散热器，元件通过"顶部"热耗散成为设计中更重要因素。

将热量从功率元件传导出去的标准方法是通过热过孔将功率元件热连接到相邻铜平面。通常通过在功率IC焊盘图形内放置多个过孔实现。这些过孔提供到IC下方铜层的热连接，进而将热量从元件传导走。

此外，通过热过孔连接到功率IC的铜平面越多，PCB热耗散效率越高。例：同等面积下，4层设计比2层设计可提升高达30%功率耗散能力。

以下设计规则为处理设计热考量提供良好起点。

1. 经验法则： 散热1瓦功率，板卡需面积15.3cm²或2.4in²（每瓦，板温升40°C）。若板卡有气流，需求可减半（7.7cm²或1.2in²/瓦）。假设元件热耦合到延伸至板边的铜平面，且板卡定位使气流可自由流过两面。若功率密度要求过于苛刻，可能需要外部散热器。40°C温升是控制电路板温度的良好起点。
2. 多功率元件布局： 板卡上有多个功率元件时，最佳实践是使这些元件均匀加热PCB。PCB长度方向大温差不利于最佳热能传导。若设计师可用热成像，设计版本完成后可实证检查元件布局。
3. 最大化过孔数量： 元件下方放置的过孔越多，PCB向连接铜平面传导热能效果越好。阵列化过孔增加与封装功率焊盘（元件大导热焊盘）接触的过孔数量。
4. 高功率设计用高铜厚： 耗散较高瓦数设计需使用较高铜厚。1oz铜是功率设计推荐起点。
5. 铜铺热路径不中断： 利用铜铺将热能从元件传导出去时，重要的是铺铜不被垂直于远离功率元件热路径的走线打断。
6. 散热器安装位置： 若需散热器维持系统温度公差，注意散热器热连接到元件外壳时通常更有效。这通常意味着将散热器连接到表面贴装元件的板卡背面。虽诱人直接将散热器放在元件顶部，但元件塑料外壳热阻会使散热器失效。如前所述，例外是显式设计为顶部连接散热器的封装。

总之，无论何时使用功率元件，设计热性能都是必须考虑的关键因素。在PCB设计过程早期使用本文提出的设计规则，将让您在控制PCB温度方面抢占先机，避免开发后期大幅重新设计。

参考资源
• PCB最全面热设计原则
• 基于热模型的PCB内部散热设计
• FPGA系统控制板热设计技巧
• 高温环境下大功率PCB设计
• 金属基PCB：解决PCB/PCBA热问题的理想方案
• PCBCart全功能PCB制造服务 - 多种增值选项
• PCBCart高阶PCB组装服务 - 单片起订