在 PCB 热管理解决方案中,设计优化是成本最低、效果最显著的手段 —— 通过合理的叠层设计、铜箔布局和元器件排布,可在不增加材料成本的前提下,将 PCB 的散热效率提升 30%~50%。很多工程师在设计 PCB 时,往往只关注信号传输,忽略了热管理设计。今天,作为 PCB 技术专家,就为大家分享 PCB 热管理的五大实战设计技巧,帮大家打造高效散热的 PCB。
PCB 的叠层结构决定了热量的垂直传导路径,合理的叠层设计可大幅降低热阻。针对高功率 PCB,推荐采用 **“信号层 + 散热层” 的叠层结构 **,核心要点如下:
- 增设专用散热层:在 PCB 内层设置 1~2 层完整的铜箔散热层,厚度不低于 2oz,散热层直接与接地层连通,利用接地层的大面积铜箔快速扩散热量;
- 缩短导热路径:将发热器件(如电源芯片、CPU)布置在靠近散热层的表层,减少热量从表层传导至内层散热层的距离;
- 增加导热过孔:在发热器件的焊盘周围密集布置导热过孔(孔径 0.3~0.5mm),过孔需贯穿表层与散热层,且孔内填充金属,实现热量的垂直快速传导。捷配在高功率 PCB 设计中,会通过仿真软件模拟温度分布,优化导热过孔的数量和位置。
铜箔是 PCB 中主要的导热介质,水平方向的热量扩散主要依靠铜箔实现。提升水平散热效率的核心是增加铜箔厚度和扩大敷铜面积:
- 选用厚铜箔:将常规 1oz 铜箔升级为 2~4oz,厚铜箔的导热能力更强,能快速将发热器件的热量向四周扩散;
- 发热区大面积敷铜:在芯片、电源模块等发热器件的周围设计大面积敷铜,敷铜面积越大,散热效果越好;同时,敷铜需与接地层连通,避免形成 “孤岛铜箔”,影响散热效率;
- 网格敷铜与实心敷铜结合:在高频信号区域采用网格敷铜,减少对信号的干扰;在发热区域采用实心敷铜,提升散热能力。
元器件布局是 PCB 热管理设计的关键环节,错误的布局会直接导致热量堆积。核心布局原则是分散热源、隔离热敏器件:
- 分散高功率器件:将多个高功率器件(如电源芯片、功放模块)均匀分布在 PCB 表面,避免集中布置导致热量叠加;
- 热源与热敏器件隔离:将发热器件与传感器、精密芯片等热敏器件保持足够的距离(建议不小于 10mm),或在两者之间设置散热隔离带(如敷铜隔离带);
- 元器件贴近板边布局:将发热器件布置在 PCB 板边,利用板边与空气的对流散热,降低局部温度;同时,板边布局便于安装散热片,提升散热效率。
对于超高功率 PCB,仅依靠自身结构无法满足散热需求,需结合外部散热装置。在设计时,需提前预留散热结构接口:
- 预留散热片安装位:在发热器件上方预留螺丝孔或卡扣位,便于安装散热片;同时,确保散热片与器件之间的接触面积足够大,可填充导热硅胶或导热垫片,降低接触热阻;
- 设计风道布局:在 PCB 上预留风道,引导空气流通,提升对流散热效率;对于密闭设备,可设计散热孔,增强空气交换;
- 匹配液冷接口:对于极高功率密度的设备(如服务器、军工设备),需设计液冷管道接口,通过液体循环带走热量。
在 PCB 设计完成后,建议通过热仿真软件(如 ANSYS、Flotherm)模拟温度分布,提前发现局部热点问题。通过仿真分析,可直观看到 PCB 各区域的温度值,进而优化叠层结构、导热过孔位置和元器件布局,避免后期量产出现热管理问题。