高温环境下高功率 PCB 热设计实战指南

多层 PCB 作为元件集成平台，连接电路板与元件。电子产品轻薄小型化、高性能化导致 IC 高度集成、PCB 高密度化，发热量明显增加、热密度上升，尤其大量使用高频 IC（A/D、D/A）和电路频率提升加剧此趋势。若大量热量无法散出，设备可靠性将严重受损。统计显示，导致电子设备失效的因素中温度占 55%，居首位。温度每升高 10°C，部分元件失效率可翻倍。航空航天产品更不可忽视热控设计，不当设计可能导致整个系统完全失效。因此 PCB 设计必须高度重视热设计。

从原因分析入手：PCB 高温直接源于功耗元件。每个元件不同程度功耗引起热强度变化。温升现象分：局部/大面积温升、短时/长时温升。传热三途径：热传导、热对流、热辐射。辐射通过电磁波散热，热量较少，通常作辅助散热。本文以伺服 PCB 为例，介绍基于热传导和散热器瞬态储热技术的长时高温环境散热方案。

该伺服 PCB 有 2 个 2W 功放芯片、2 个 R/D 转换芯片、2 个 CPU、1 个 EPLD、1 个 A/D 转换芯片，总功耗 9W。安装在密闭环境中，空气对流受限；空间限制无法安装冷板。为保证正常运行，仅能利用热传导和散热器瞬态储热技术将热量传至机箱。

金属基 PCB 散热方案及改进

常用方法：在多层 PCB 中嵌入导热优良的金属板，热量直接从金属板散出或连接外部散热设备。结构见图 1。金属芯材料包括铝、铜、钢，也可作地层。上下层通过镀通孔互联，热量在金属芯内层和表面传递。发热元件可通过底部焊盘和导热孔直接焊在板上，热量直接传至金属芯，经导热孔传至相切机箱散出。

但此结构存在问题：金属基 PCB 厚、散热不均易变形导致芯片引脚接触不良；散热太快导致换芯片困难，换芯时局部吸热引起严重变形；面积越大越易变形。

升级设计措施：

1. PCB 内夹 4 层 0.15mm 铜箔，厚度增加 3mm，防变形、提高通孔可靠性
2. 2W 发热芯片底部增设 SMT 焊盘，将热量传至 PCB 金属层
3. 芯片底部通过大面积铜箔和导热孔将热量传至内层铜箔
4. PCB 双面绝缘层边缘铣开实现边缘金属化，裸露边缘与底座接触散热，用 36 颗螺丝固定增强 PCB 与机箱导热

升级后设计见图 2。

仿真建模与分析

使用 FLoTHERM 软件建模分析。边界条件：环境 65°C，运行 90 分钟。元件满足 X 降额要求。允许温度见下表：

主功耗元件：2 个功放芯片（49.76×41.4mm），各 2W。其他元件总功耗 5W，整板 9W。伺服驱动 10W，电源 40W，总功耗 59W。

仿真结果（图 3）：连续 30 分钟芯片温度快速升至 72°C 以上；50 分钟趋稳；90 分钟时：2W 芯片壳温 77.9°C（限 87°C），0.6W 芯片 84°C（限 87°C），0.5W 芯片 78.2°C（限 87°C），另一 0.5W 芯片 77°C（限 85°C）。

仿真显示伺服控制芯片温度在合理范围内。理论分析默认芯片与 PCB 无间隙，实际安装可能有间隙，可用硅胶填充确保散热效果。

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