PCB 热管理的散热结构优化：从被动散热到主动散热
来源：捷配
时间: 2025/10/15 09:04:06
阅读: 78
当 PCB 功耗超过 5W，仅靠布局与材料优化难以控制温度，需通过 “被动散热（散热片、金属外壳）” 或 “主动散热（风扇、均热板）” 增强散热能力。散热结构的选择需结合功耗、空间、成本，例如消费电子优先用被动散热（静音、低成本），工业高功率设备需主动散热（高效、大热量）。优化需围绕结构设计、安装方式、气流组织，确保散热效率最大化。?
一、被动散热结构：无能耗、高可靠，适合中低功率?
被动散热通过散热片、金属外壳等结构扩大散热面积，利用自然对流与辐射散热，适合总功耗 5~20W 的 PCB，核心是 “增大散热面积、优化热传导路径”。?
1. 散热片优化设计?
散热片是最常用的被动散热结构，通过翅片扩大表面积，材质多为铝（导热系数 205W/(m?K)）或铜（401W/(m?K)，成本高），设计需关注以下要点：?
- 尺寸与翅片参数：?
- 散热片面积：按功耗计算（1W 功耗需 10~20cm² 散热面积），例如 5W 元件需 50~100cm² 散热面积；?
- 翅片高度与间距：高度 10~30mm（过高会影响自然对流），间距 3~5mm（避免气流堵塞），翅片数量越多散热越好（如 10mm 高散热片可做 10~15 片翅片）；?
- 安装方式：?
- 焊接式：散热片直接焊接在 PCB 铜箔上（适合大功率元件，如 IGBT），接触热阻低（0.1~0.2℃/W），但不可拆卸；?
- 卡扣式：通过塑料卡扣固定（适合消费电子，如 MCU），安装方便，接触热阻 0.2~0.3℃/W，需配合导热垫（3W/(m?K) 以上）；?
- 螺丝固定：适合高功率、高可靠性场景（如工业设备），接触压力可控（5~10N），接触热阻 0.08~0.15℃/W，需涂抹导热硅脂；?
- 案例：某 5W 的 DC-DC 电源 PCB，原无散热片，芯片温度 125℃（超安全值 120℃）；加装铝制散热片（面积 80cm²，翅片 15 片，高度 20mm），通过螺丝固定 + 8W/(m?K) 硅脂，温度降至 95℃，满足要求。?
2. 金属外壳散热：利用结构件辅助散热?
PCB 的金属外壳（如铝合金外壳）可作为 “大型散热片”，通过 PCB 与外壳的导热连接，将热量散发到环境中，适合有外壳的设备（如路由器、工业控制器）：?
- 导热连接方式：?
- 导热柱：用铜制导热柱（直径 3~5mm）连接 PCB 铜箔与外壳，导热柱两端涂抹导热硅脂，热阻 0.3~0.5℃/W；?
- 导热垫：PCB 与外壳间铺 1~3mm 厚的高导热垫（5~10W/(m?K)），适合外壳与 PCB 有间隙的场景；?
- 外壳设计优化：?
- 外壳表面做 “凹凸纹理”（如条纹、网格），增大表面积（比光滑表面大 30%~50%）；?
- 外壳材质选铝合金（导热系数 120~205W/(m?K)），比塑料外壳（导热系数 0.2W/(m?K)）散热效率高 500 倍以上；?
- 案例：某 8W 的路由器 PCB，原用塑料外壳，PCB 温度 100℃；改为铝合金外壳，通过 2 个铜导热柱（直径 4mm）连接 PCB 与外壳，外壳表面做条纹纹理，温度降至 75℃，同时满足外壳温度≤60℃的用户安全要求。?
3. PCB 自身结构优化：增强被动散热?
通过 PCB 结构设计提升被动散热能力，无需额外增加零件成本：?
- PCB 边缘裁切：将 PCB 边缘裁切成 “锯齿状”，增大边缘散热面积（比矩形边缘大 20%~30%）；?
- 镂空设计：在大功率元件周围镂空（孔径 5~10mm，间距 10mm），增强空气流通，降低局部温度 5~10℃；?
- 案例：某 10W 的 LED 灯板 PCB，在 LED 周围做 4 个 8mm 镂空孔，间距 10mm，LED 温度从 110℃降至 100℃，无需额外散热片。?
二、主动散热结构：高散热效率，适合高功率?
当 PCB 总功耗＞20W，被动散热无法满足需求，需通过主动散热（风扇、均热板、液冷）强制带走热量，核心是 “增强对流效率、快速转移热量”。?
1. 风扇散热：强制对流，性价比高?
风扇通过强制空气流动，提升对流散热系数（自然对流 5~10W/(m²?K)，强制对流 20~50W/(m²?K)），适合总功耗 20~100W 的 PCB，是工业设备的主流选择：?
- 风扇选型与布局：?
- 风扇类型：轴流风扇（风量大，适合大面积散热）、离心风扇（风压高，适合窄小空间）；?
- 风量与风压：按散热需求计算（1W 功耗需 0.1~0.2CFM 风量），例如 50W PCB 需 5~10CFM 风量；?
- 布局原则：“进风 - 散热 - 出风” 形成完整气流通道，风扇进风口远离热源，出风口无遮挡；?
- 案例：某 50W 的工业 PLC PCB，原用被动散热（散热片 + 金属外壳），温度 115℃；加装 12V 轴流风扇（风量 8CFM），气流从 PCB 一侧进风，经过散热片后从另一侧出风，温度降至 85℃，满足工业标准（≤90℃）。?
2. 均热板散热：高效热转移，适合局部热点?
均热板（Vapor Chamber）通过内部工质相变（蒸发 - 冷凝）快速转移热量，导热系数可达 1000~10000W/(m?K)，适合局部高功率元件（如 CPU、GPU，功耗 10~50W）：?
- 结构与应用：?
- 均热板尺寸：通常 30~100mm，厚度 2~5mm，可贴装在元件表面，将局部热点热量快速扩散到大面积散热片；?
- 适用场景：消费电子（如笔记本电脑 CPU）、高功率密度 PCB（元件间距小，局部功耗高）；?
- 案例：某 20W 的笔记本 CPU PCB，局部热点温度 130℃（无均热板）；在 CPU 上贴装 50mm×50mm 均热板，连接到笔记本散热片 + 风扇，热点温度降至 95℃，满足 CPU 安全要求（≤105℃）。?
3. 液冷散热：极高功率，适合特殊场景?
液冷散热（水冷、油冷）通过液体循环带走热量，散热效率高（比风扇高 5~10 倍），适合总功耗＞100W 的极端场景（如服务器、大功率变频器）：?
- 结构组成：液冷头（接触 PCB 热源）、水泵、散热器、管道，液体用去离子水（导热系数 0.6W/(m?K)）或导热油（0.15~0.2W/(m?K)，绝缘性好）；?
- 适用场景：高功率密度、对静音要求高的设备（液冷无风扇噪声）；?
- 案例：某 200W 的服务器 CPU PCB，用液冷散热系统，液冷头直接接触 CPU，循环水流量 1L/min，CPU 温度控制在 80℃（风扇散热会超 110℃）。?
散热结构优化的核心是 “按需选择”—— 某消费电子 PCB（总功耗 8W），优先用 “金属外壳 + 导热柱” 被动散热（成本 30 元），温度降至 70℃，无需风扇（成本增加 50 元，且有噪声）；某工业 200W PCB，必须用液冷散热才能满足温度要求。可见，结合功耗与场景选择结构，才能平衡效率与成本。
微信公众号
微信小程序
抖音视频号
浙公网安备 33010502006866号