PCB 热管理基础认知：发热根源、传递路径与关键参数
来源：捷配
时间: 2025/10/15 08:58:56
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PCB 热管理的核心是 “控制温度在安全范围”—— 据行业统计，电子设备故障中 55% 与过热相关，当 PCB 局部温度超过 85℃时，元件寿命会缩短 50%；超过 125℃时，多数芯片会出现宕机或永久损坏。优化 PCB 热管理需先明确 “热量从哪里来、如何传递、关键控制指标”，避免盲目增加散热结构导致成本浪费。?
首先，解析 PCB 发热的三大核心根源，不同热源的散热需求差异显著：?
1. 主动元件发热（占总热量的 70%~90%）?
主动元件（IC、功率管、MCU）因电流做功产生热量，功率越大、效率越低，发热量越大：?
- 功率半导体（如 MOS 管、IGBT）：大功率应用（如电机驱动、电源转换）时，功耗可达 1~10W，若散热不良，结温（元件内部 PN 结温度）易超 150℃（安全上限）；例如 12V/10A 的 MOS 管，导通电阻 0.1Ω，功耗 = I²R=10W，若无散热措施，温度会在 10 分钟内升至 200℃以上；?
- 微处理器（MCU、CPU）：高频工作时（如 1GHz 以上），动态功耗占比高（功耗≈频率 × 电压 ²），例如某 32 位 MCU（工作频率 500MHz，电压 3.3V），动态功耗约 0.5W，静态功耗 0.1W，总发热量 0.6W；?
- 电源芯片（DC-DC、LDO）：转换效率越低，发热量越大（功耗 = 输入功率 - 输出功率），例如 12V 转 5V/2A 的 DC-DC，效率 80% 时，功耗 =（12×2）-（5×2）=14W，发热量显著高于效率 95% 时的 1.4W。?
2. 被动元件发热（占总热量的 10%~20%）?
被动元件（电阻、电感、电容）发热源于损耗，虽单个体积小，但密集布局时热量易累积：?
- 功率电阻：通过大电流时（如 1A 以上），功耗 = I²R，例如 10Ω/2W 电阻，通过 0.4A 电流时，功耗 = 0.16×10=1.6W，接近额定功率，温度会升至 60~80℃；?
- 电感：因铜损（导线电阻）和铁损（磁芯损耗）发热，高频电感（如 1MHz 以上）铁损占比高，例如 10μH/1A 高频电感，在 1MHz 工作频率下，总损耗约 0.3W，温度升高 30~40℃；?
- 陶瓷电容：高频下等效串联电阻（ESR）产生损耗，例如 10μF/10V 陶瓷电容，ESR=0.1Ω，在 1MHz 频率下，损耗 = ESR×(2πfC×V)²≈0.05W，发热量较小，但密集布局时仍需考虑散热。?
3. 布线与接触发热（占总热量的 5%~10%）?
PCB 铜箔、连接器、焊点因存在电阻，电流通过时产生热量，虽单处发热量小，但大电流场景下不可忽视：?
- 铜箔布线：铜箔电阻 =ρL/(WS)（ρ 为铜电阻率，L 为长度，W 为宽度，S 为厚度），例如 1oz 铜箔（厚度 35μm）、1mm 宽、10cm 长的布线，电阻≈0.005Ω，通过 5A 电流时，功耗 = I²R=0.125W，温度升高 5~10℃；若铜箔宽度缩小至 0.2mm，电阻增至 0.025Ω，功耗升至 0.625W，温度升高 25~30℃；?
- 连接器与焊点：接触电阻通常 0.01~0.1Ω，大电流（如 10A）通过时，功耗 = 0.1~1W，温度升高 10~20℃，长期过热会导致接触电阻增大，形成 “热失控”。?
PCB 热量的三大传递路径决定了热管理优化方向：?
- 传导：通过 PCB 铜箔、导热材料传递到散热结构（如散热片），是主要传递方式（占比 60%~70%），传导效率与材料导热系数正相关（铜导热系数 401W/(m?K)，FR-4 基材 0.3~0.5W/(m?K)）；?
- 对流：热量通过空气流动散发到环境中（占比 20%~30%），自然对流效率低（散热系数 5~10W/(m²?K)），强制对流（风扇）可提升至 20~50W/(m²?K)；?
- 辐射：通过热辐射散发（占比 5%~10%），效率与表面 emissivity 相关（黑色阻焊层 emissivity 0.8~0.9，金属表面 0.1~0.3）。?
PCB 热管理的关键参数需严格控制：?
- 结温（Tj）：元件内部最高温度，多数芯片安全上限 85~125℃（如 MCU Tj≤105℃，功率管 Tj≤150℃），需通过热设计确保 Tj≤安全值；?
- PCB 表面温度（Ts）：PCB 表面最高温度，工业设备通常要求 Ts≤85℃，消费电子≤60℃（避免烫伤用户）；?
- 热阻（θ）：热量传递的阻力，单位℃/W，热阻越小散热越好，例如 “芯片 - PCB - 散热片” 的总热阻需≤(Tj_max-Ta)/P（Ta 为环境温度，P 为功耗），若芯片 Tj_max=125℃，Ta=40℃，P=2W，总热阻需≤42.5℃/W。?
理解基础认知是优化的前提 —— 某电源 PCB 未考虑 DC-DC 芯片（功耗 2W）的散热，直接贴装在 PCB 中心，导致芯片温度升至 130℃（超安全值 125℃）；将芯片移至 PCB 边缘，增加铜箔面积后，温度降至 105℃，故障消除。可见，针对性解决热源问题，才能高效优化 PCB 热管理。
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