基于先进热建模优化 PCB 内部热耗散设计

电子技术飞速发展推动计算速度、频率、集成度提升，产品体积缩小导致体积功率密度激增，轻薄短小趋势使单位体积发热量增加。PCB 热流密度快速上升严重影响可靠性。根据「10 度法则」，温度每升高 10°C，部分元件参数减半。研究显示 55% 电子设备因温度超额定值损坏。合理元件布局和 PCB 散热是工程师必考核心要素。

电子产品热设计分系统级、板级、封装级。板级指散热器、电子模版和 PCB 热设计。本文提出新散热方法：不改变 PCB 布局前提下，将元件底部热量快速传导至外部并增加散热面积，降低元件温度和温差。相比传统散热，该法具备多散热结构、减小 PCB 热应变、占用空间小等特性。PCB 散热各向异性源于多层结构（顶层、底层、走线层）导致铜含量、铜厚、过孔位置差异。本文借助热分析软件，结合元件物理形状和热特性，建立简化 PCB 和元件模型，通过仿真分析不同工况下散热鳍片长宽数量的实验结果。

热分析原理

板级热分析基于传热理论：热传导、热对流、热辐射，以热传导为主导。根据傅里叶定律，厚度为 d 的微分层沿 x 方向，单位时间通过面积 A 的能量与温度变化率成正比：Q = -k·A·(Δt/L)。其中 Q(W) 为热流，A(m²) 截面积，L(m) 传导路径长，k[W/(m·°C)] 热导率，Δt(°C) 两侧温差，x(m) 热流路径。负号表示与传热方向和温升相反。热流密度 q(W/m²) = Q/A。材料热导率 k 越大导热越好。

PCB 热阻理论

PCB 多层结构复杂，导热各向异性。各层材料结构不同，建模难、网格多、计算慢。本文借助热分析软件采用简化模型（图 1）。

假设铜层和 FR-4 层等厚等间距。用法向热导率 kₙ 和层面热导率 kₚ 描述 PCB 热性能。计算公式：

δ_Cu 为各铜层厚度；k_Cu=388[W/(m·°C)] 铜热导率；k_j 为各层走线热导率；δ_F 为各 FR-4 层厚度；k_F=0.35[W/(m·°C)] FR-4 热导率；δ_PCB 总厚度；A_j 为第 j 层铜走线总面积。简化模型热阻见图 2。

表底层温度 t₁、t₂；总传热 Q；总热阻 R；各层厚度方向热阻 R₁,R₂,R₃，长度方向 L₁,L₂,L₃；板面积 A。垂直方向热阻串联：R₁=L₁/(A·k₁) 等。水平方向热阻并联：R₁=L/(A₁·k₁) 等，1/R=Σ1/Rᵢ。总热阻按串并联组合计算，Q=(t₁-t₂)/R。水平总热阻远小于垂直，故水平埋铜散热效果更好。本文以双层 PCB 为分析对象，埋铜示意图见图 3。

仿真分析与验证

PCB 模型设计

元件置于 PCB 中心，热源下方埋铜，相邻埋设铜散热鳍片。仿真模型尺寸 0.5mm×30mm（图 4）。

设 2A 电流电路为仿真对象，线宽≥0.5mm，过孔 0.5mm。鳍片间距≥1mm，宽度定义为 0.13/0.25/0.5/0.75/1mm，长度 20/30/40mm。10mm 宽、间距<1mm 条件下不同宽度鳍片数量见下表。

结果分析

由表可见：鳍片宽度<0.5mm 时，宽度增加显著降温；>0.5mm 降温趋缓。0.5mm 宽度温差最大且材料成本最低。长度 20-30mm 降温>5°C，30-40mm 仅 2°C 左右。综合考虑鳍片不可过长过宽，选宽 0.5mm、长 30mm 最佳。

对比图 7（无埋铜）和图 8（30mm/0.5mm 鳍片）：最高温从 108.4°C 降至 88.6°C（降 18.5%），最低温从 98.3°C 降至 83.2°C（降 15.3%）。埋铜使温场分布均匀，减小温差，避免热点，显著提升元件散热和可靠性。

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