PCB 散热设计教程：如何进行热分析与散热片选型？

PCB 散热设计的前提是精准定位热源并计算其发热量，关键步骤如下：

• 高功耗器件：功率半导体（如 MOS 管、IGBT）、DC-DC 转换器、CPU/FPGA、射频功率放大器，典型功耗 5-50W，是散热设计的重点对象。例如，电动车控制器中的 IGBT 模块功耗可达 30W 以上，若散热不良会导致结温超过 150℃而烧毁。

• 中功耗器件：运算放大器、传感器、中小功率电阻，功耗 0.5-5W，需关注局部散热。

• 低功耗器件：逻辑芯片、无源元件，功耗 < 0.5W，通常无需特殊散热处理。

• 数据手册查询：优先从器件 datasheet 获取典型功耗（Pd）和最大功耗，如 TI 的 LM2596 开关稳压器，在 3A 输出时典型功耗为 2W，最大可达 3W。

• 公式计算：对功率器件，用 P=V×I×(1-η) 估算功耗（η 为效率）。例如，5V/10A 输出的 DC-DC 转换器（效率 90%），输入功率 = 50W/0.9≈55.6W，功耗 = 55.6W-50W=5.6W。

• 实测验证：通过热像仪测量器件表面温度，结合热阻参数反推功耗。例如，某 MOS 管在 25℃环境下表面温度 45℃，已知其结到壳热阻 RθJC=2℃/W，壳到 ambient 热阻 RθCA=10℃/W，则功耗 P=(45-25)/(2+10)=1.67W。

关键参数：结温（Tj）是核心限制因素，多数半导体器件的最大 Tj 为 125℃，超过此温度会导致性能退化甚至失效。

热量从器件到环境的传递需经过多级路径，每级均存在热阻（Rθ），总热阻决定最终温度：

1. 芯片结到外壳（RθJC）：芯片内部热量通过半导体材料传导至封装外壳，取决于封装类型。例如，TO-220 封装的 RθJC 约 3℃/W，而 SOP-8 封装可达 50℃/W，表明金属外壳封装的导热能力远优于塑料封装。

2. 外壳到 PCB 焊盘（RθCP）：通过焊点或导热垫传导，焊盘面积越大、焊锡量越充足，热阻越低。例如，QFN 封装的裸露焊盘（Exposed Pad）若与 PCB 良好焊接，RθCP 可低至 5℃/W，比传统引脚封装降低 60%。

3. PCB 内部传导（RθPCB）：热量从器件焊盘通过铜箔、过孔扩散至整个 PCB，受铜箔面积、厚度和层数影响。1oz 铜厚（35μm）的 10cm2 铜箔，RθPCB 约 10℃/W，而 2oz 铜厚 + 过孔阵列可降至 3℃/W。

4. PCB 到环境（RθJA）：包含对流（自然 / 强制）和辐射散热，自然对流下 RθJA 通常为 20-50℃/W，强制风冷可降至 5-15℃/W。

某 DC-DC 芯片（P=5W）采用 TO-220 封装（RθJC=3℃/W），通过焊盘连接到 10cm2 2oz 铜箔（RθCP=4℃/W + RθPCB=3℃/W），自然对流环境（RθJA=30℃/W），则总热阻 Rθ 总 = 3+4+3+30=40℃/W，结温 Tj = 环境温度（25℃）+ P×Rθ 总 = 25+5×40=225℃，远超 125℃上限，必须优化散热。

铜箔是 PCB 内部最主要的散热载体，设计需遵循 “最大化热扩散” 原则：

• 完整铜皮优先：在发热器件下方铺设无分割的完整铜箔，面积≥器件封装的 5 倍。例如，7mm×7mm 的 QFN 芯片，下方应设计至少 35mm×35mm 的连续铜箔，利用铜的高导热率（401W/m?K）快速扩散热量。

• 铜厚选择：优先采用 2oz（70μm）或 3oz（105μm）铜厚，其导热能力比 1oz（35μm）提升 100%-200%。测试表明，相同面积下，2oz 铜箔的芯片温度比 1oz 低 8-12℃（5W 功耗时）。

• 网格铺铜的局限性：网格铜（常用于信号地）的散热能力比实心铜低 30%-50%，仅在需控制阻抗或重量时使用，且网格间距应≤1mm（越小越接近实心铜）。

• 多点接地增强散热：散热铜箔需通过多个过孔（至少 4 个）连接到地平面，利用地平面扩大散热面积，但需避免地环路干扰（可通过 0Ω 电阻单点连接）。

• 热隔离带：在高发热器件（如功率 MOS 管）与敏感元件（如运算放大器）之间设置 1-2mm 宽的 “无铜隔离带”，填充阻焊油墨（导热率 < 0.5W/m?K），减少热量传导。

多层板通过内层铜箔构建三维散热网络，尤其适合高功率密度场景：

• 紧邻表层的内层：在发热器件所在表层的相邻内层（如顶层下方为 GND1 层）设计全层铜皮，通过密集过孔（间距≤2mm）与表层铜箔连接，形成 “垂直散热柱”。例如，4 层板叠层（顶层信号→GND（散热层）→电源→底层信号），可将 80% 的热量通过 GND 层扩散。

• 独立散热层：功率超过 10W 的设计，可在中间层设置独立散热层（非信号 / 电源层），铜厚≥2oz，通过过孔阵列与所有发热器件连接。某工业控制板采用 6 层板设计，第 3 层为专用散热层，使 15W 功率器件温度降低 25℃。

• 孔径与数量：采用 0.3-0.5mm 孔径的过孔，数量 = 功耗（W）×2-3 个。例如，10W 器件需 20-30 个过孔，呈梅花形分布（中心密、边缘疏），确保热量均匀传递至内层。

• 过孔处理：建议采用 “开窗露铜” 设计（不覆盖阻焊），增强与空气的对流散热，若需防氧化可涂覆导热三防漆（导热率 > 0.8W/m?K）。

热过孔（Thermal Via）是连接不同层散热铜箔的关键，设计需兼顾导热效率与工艺可行性：

• 孔径选择：0.3-0.6mm 为最佳平衡，太小（<0.2mm）易堵塞，太大（>0.8mm）占用过多空间。0.4mm 孔径的过孔，单个可传导约 0.5W 热量（2oz 铜厚）。

• 数量计算：N=P×K，其中 K 为系数（自然对流 K=4-6，强制风冷 K=2-3）。例如，5W 器件在自然对流下需 5×5=25 个 0.4mm 过孔。

• 分布密度：过孔中心距 = 2-3 倍孔径，如 0.4mm 过孔间距 0.8-1.2mm，确保热量在铜箔中均匀扩散，避免局部热点。

• 全连接（Solid Thermal Relief）：过孔与铜箔直接相连（无隔离），导热效率最高，但可能导致焊接时焊盘吸热过多形成虚焊，仅适用于大尺寸铜箔（>20mm2）。

• 十字连接（Thermal Relief）：过孔通过 4 条 0.3-0.5mm 宽的铜条与铜箔连接，兼顾导热与焊接可靠性，是中小功率器件的首选（推荐）。连接条宽度每增加 0.1mm，导热能力提升约 15%。

• 导电胶填充：对高功率过孔，可填充银基导电胶（导热率 > 10W/m?K），比空心过孔导热能力提升 300%，但成本增加约 20%。

• 屏蔽环设计：在热过孔阵列外围设置 1mm 宽的接地屏蔽环（与散热铜箔隔离），减少热量向敏感电路的传导。

当 PCB 自身散热不足时，需加装散热片，选型需匹配功耗、空间和环境条件：

• 被动散热片：

• 铝制鳍片型：成本低（￥1-10），重量轻，适用于 5-10W 功耗，自然对流下热阻 2-10℃/W（取决于尺寸）。例如，30mm×30mm×10mm 的铝散热片，热阻约 5℃/W。

• 铜制散热片：导热率高（385W/m?K vs 铝 205W/m?K），但成本高、重量大，适用于 10-20W 且空间受限场景，热阻可低至 1℃/W。

• 带胶散热片：自带导热胶（厚度 0.2-0.5mm，导热率 1-3W/m?K），安装方便，适合小功率器件（<5W），如 SOP 封装的电源芯片。

• 主动散热：

• 风扇 + 散热片组合：热阻可低至 0.5-3℃/W，适用于 20W 以上功耗，如 CPU、大功率 LED。40mm 风扇配合鳍片散热片，可将 15W 器件温度控制在 60℃以内（环境 25℃）。

• 热管散热：通过热管将热量从芯片传导至远程散热片，适用于空间受限或需远离热源的场景，热阻约 0.8-2℃/W，但成本较高（￥50+）。

1. 计算所需热阻：Rθ 散热片≤(Tj_max - T_ambient)/P - Rθ 其他（芯片 + PCB 热阻）。例如，Tj_max=125℃，T_ambient=40℃，P=10W，Rθ 其他 = 10℃/W，则 Rθ 散热片≤(125-40)/10 -10= -1.5℃/W（需主动散热）。

2. 匹配尺寸与安装：散热片高度≤设备外壳预留空间（通常留 5-10mm 间隙），安装方式（卡扣、螺丝、背胶）需适应 PCB 结构，避免压迫器件。

3. 优化接触热阻：芯片与散热片之间需涂覆导热硅脂（厚度 20-50μm，导热率 > 2W/m?K）或加装导热垫（硬度 Shore 30-50），接触热阻应 < 0.5℃/W。

热仿真是验证散热设计的关键，可避免反复试错，常用方法与工具如下：

• 热阻串联法：利用 Tj = Ta + P×(RθJC + RθCP + RθPCB + Rθ 散热片 + Rθ 环境) 估算结温，适合快速评估方案可行性（误差 ±20%）。

• 在线计算器：TI 的 “PCB 散热计算器”、Mouser 的 “热管理工具” 可输入铜箔面积、厚度、功耗等参数，自动生成温度曲线，适合入门级设计。

• ANSYS Icepak：适用于复杂系统级仿真，可模拟自然 / 强制对流、辐射、热管等，支持 PCB 叠层、器件 3D 模型导入，精度高（误差 ±5%），但学习成本高。

• Flotherm：专注于电子散热，内置丰富的 PCB 和器件模型库，仿真速度快，适合中高功率 PCB 设计，支持与 Altium、Cadence 等 CAD 软件联动。

• 简化仿真技巧：

1. 忽略尺寸 < 1mm 的元件（如电阻、小电容），减少模型复杂度；

2. 重点仿真发热 Top 5 的器件，其他按平均功耗处理；

3. 环境参数设置：自然对流风速 0.1m/s，强制风冷取 1-5m/s，环境温度取极端值（如 40℃）。

• 关注 “热点温度”：确保所有器件的最高温度低于其最大额定结温（留有 10-20℃余量）；

• 检查温度梯度：同一功能模块的温差应 < 15℃，避免热应力导致焊点开裂；

• 对比不同方案：如有无散热片、过孔数量变化对温度的影响，选择性价比最高的方案。

以电动车控制器中的功率 MOS 管（IRF3205）为例，详细说明散热设计流程：

• 功耗：P=10W（VDS=12V，ID=10A，导通电阻 RDS (on)=8mΩ，P=I2R=102×0.008=0.8W？此处应为开关损耗主导，实际 P=10W）；

• 封装：TO-220（RθJC=2℃/W，最大 Tj=175℃）；

• 环境：自然对流（Ta=40℃），要求 Tj<150℃。

1. PCB 铜箔设计：在 MOS 管下方铺设 40mm×40mm 2oz 铜箔（RθPCB=2℃/W），通过 20 个 0.4mm 过孔（十字连接）连接到内层 GND 散热层（Rθ 过孔 = 1℃/W）。

2. 散热片选型：选用 40mm×40mm×10mm 铝制散热片（Rθ=3℃/W），涂覆 3W/m?K 导热硅脂（接触热阻 0.3℃/W）。

3. 总热阻计算：Rθ 总 = 2（JC）+1（CP）+2（PCB）+1（过孔）+0.3（接触）+3（散热片）+15（自然对流）=24.3℃/W。

4. 温度验证：Tj=40 +10×24.3=283℃（超标），需优化。

5. 方案改进：增加 60mm 风扇（风速 2m/s，Rθ 环境降至 8℃/W），总热阻 = 2+1+2+1+0.3+3+8=17.3℃/W，Tj=40+10×17.3=213℃（仍超标）。

6. 最终方案：改用铜制散热片（Rθ=1.5℃/W）+ 风扇，总热阻 = 2+1+2+1+0.3+1.5+8=15.8℃/W，Tj=40+10×15.8=198℃→仍需优化，最终增加内层散热层（RθPCB 降至 1℃），Tj=40+10×(2+1+1+1+0.3+1.5+8)=188℃，满足 < 175℃要求。

实际装机测试中，MOS 管温度稳定在 180℃（环境 40℃），持续运行 8 小时无异常，验证了设计有效性。

PCB 散热设计的核心是 “路径最短、热阻最小”，关键建议：

1. 优先利用 PCB 自身散热：铜箔面积和过孔阵列是成本最低的散热方式，设计初期应预留足够的散热铜箔；

2. 热仿真前置：在布线阶段同步进行热仿真，避免后期因空间不足无法加装散热片；

3. 权衡成本与性能：5W 以下优先优化 PCB 设计，5-20W 增加被动散热片，20W 以上考虑强制风冷或液冷；

4. 测试验证：用红外热像仪（分辨率≥640×512）检测实际温度分布，重点关注 “热点” 是否与仿真一致。

通过科学的热分析、合理的 PCB 设计与精准的散热片选型，可确保电子设备在全工况下的温度稳定，显著提升可靠性与寿命。