元器件布局决定散热效率-PCB高热区的布局设计原则与实操

    在 PCB 散热设计的系统工程中，元器件布局是最容易被忽视但又至关重要的一环。很多设计者在设计时，只关注元器件的电气连接是否正确、布线是否通畅，却忽略了元器件的摆放位置对散热的影响，结果导致元器件之间相互 “加热”，局部形成高热区，热量无法散出，最终引发产品故障。其实，元器件的布局直接决定了 PCB 的热量分布，合理的布局能从源头减少热量堆积，让散热措施发挥最大效果；而不合理的布局，再优秀的基材和铜层设计也难以弥补。今天我们就作为 PCB 设计专家，和大家聊聊 PCB 元器件布局的散热设计核心原则，以及高热区布局的实操技巧，让元器件布局为散热 “助力” 而非 “添堵”。

 

 

这一原则的本质，是让 PCB 上的热量均匀分布，减少局部热量堆积，同时让高热元器件产生的热量能快速通过散热出口（如 PCB 边缘、散热片、风扇）散出到外界，而低功耗元器件则远离高热区，避免被高温影响性能。

 

先来说高低功耗元器件分离布局，这是最基础也是最核心的原则。在 PCB 设计中，我们首先要对所有元器件进行功耗分类，明确高热功耗元器件和低功耗元器件：高热功耗元器件主要包括功率管（MOS 管、IGBT）、整流桥、大功率芯片（MCU、DSP）、大功率电阻、变压器等，这类元器件是 PCB 的主要热源；低功耗元器件主要包括电阻、电容、二极管、传感器、连接器等，这类元器件发热量小，对工作温度较为敏感。

 

在布局时，要将高热功耗元器件和低功耗元器件分成两个独立的区域，中间预留足够的散热间距，一般建议间距不小于 20mm，避免高热元器件产生的热量直接传递给低功耗元器件，导致低功耗元器件因高温出现性能漂移、工作不稳定。比如在电源 PCB 设计中，将功率管、整流桥等高热元器件集中布置在 PCB 的一侧，而将电容、电阻、控制芯片等低功耗元器件布置在 PCB 的另一侧，两者之间通过电源线和信号线连接，同时预留散热通道，让空气能在两个区域之间流通，带走热量。

 

其次，高热元器件的集中布局与靠近散热出口。对于高热功耗元器件，不能分散布置在 PCB 的各个位置，否则会导致 PCB 上出现多个高热区，增加整体散热难度，正确的做法是将所有高热元器件集中布置在 PCB 的一个区域，形成 “集中热源区”，同时将这个区域靠近 PCB 的散热出口。

 

PCB 的散热出口主要包括三个方向：一是 PCB 的边缘，热量可通过 PCB 边缘散出到空气中，或通过结构件传导至设备外壳；二是散热片、散热模组的安装位置，高热元器件靠近散热片，能通过导热硅胶将热量快速传导至散热片散出；三是风扇、通风口的位置，高热元器件靠近通风口，能利用强制风冷快速带走热量。在布局时，要根据产品的散热结构，将高热集中区精准布置在散热出口附近，比如产品设计有散热片，则将高热元器件布置在散热片的正下方，确保元器件与散热片能可靠接触；产品设计有风扇，则将高热元器件布置在风扇的出风口方向，让冷风能直接吹过高热元器件。

 

 

如果产品采用风冷（自然风冷或强制风冷），高热元器件的布局要与空气流动方向一致，让空气先吹过低功耗元器件区，再吹过高热元器件区，最后从通风口排出，这样能避免高热元器件排出的热风再次吹向低功耗元器件，形成 “热回流”。同时，高热元器件之间也要预留足够的通风间距，一般建议相邻高热元器件之间的间距不小于 10mm，确保空气能在元器件之间流通，带走热量。

 

 

所谓热叠加，是指两个或多个高热元器件相互靠近，各自产生的热量相互叠加，导致局部温度急剧升高，远超单个元器件的工作温度。比如将两个大功率 MOS 管紧密贴在一起布局，每个 MOS 管的工作温度为 80℃，叠加后局部温度可能达到 120℃以上，远超 MOS 管的额定工作温度，最终导致 MOS 管烧毁。

 

因此，在高热集中区布局时，除了预留通风间距，还要避免高热元器件的 “面对面” 接触，尽量采用 “并排式” 布局，让元器件的散热面朝向空气流通方向；对于有金属散热外壳的元器件（如功率管、整流桥），要让散热外壳朝向 PCB 边缘或散热片，避免散热外壳之间相互接触导致热量传导。同时，变压器、电感等磁性元器件，不仅自身会发热，还会产生热辐射，要与功率管、芯片等高热元器件保持一定的间距，避免热辐射叠加导致温度升高。

 

 

贴片元器件（如贴片芯片、贴片功率管）直接焊接在 PCB 表面，热量主要通过焊盘、铜层传导至 PCB 散出；插件元器件（如插件电阻、插件整流桥）引脚穿过 PCB 焊接，热量一部分通过引脚传导至铜层，一部分通过元器件本体散入空气中。在布局时，贴片高热元器件（如贴片 MCU、贴片 MOS 管）要尽量布置在 PCB 的顶层，且下方的 PCB 区域要采用厚铜、大面积铺铜，并增加过孔将热量传导至底层和内层；插件高热元器件则可以布置在 PCB 的底层，让元器件本体暴露在空气中，增加自然散热面积，同时引脚焊接处要采用散热焊盘和多过孔，提升热量传导效率。

 

另外，对于BGA 封装的大功率芯片，这是 PCB 设计中散热的重点和难点，BGA 芯片的引脚隐藏在封装底部，热量主要通过封装底部的焊球传导至 PCB，散热难度大。在布局 BGA 芯片时，要将其布置在 PCB 的中心区域或靠近散热片的位置，同时在芯片底部的 PCB 区域设计阵列式过孔（导热过孔），过孔从顶层贯穿至底层，孔内镀铜，周围采用大面积厚铜铺铜，让芯片产生的热量能通过焊球、过孔快速传导至底层和内层铜箔，再散出到外界。同时，BGA 芯片周围要预留足够的空间，便于后续贴装导热硅胶和安装散热片。

 

 

很多设计者会遇到一个问题：为了满足布线的短、直、少过孔原则，不得不将高热元器件近距离布局，导致散热问题。这时就需要做好布线与散热的平衡，在保证电气性能的前提下，优先满足散热布局原则。比如在大功率电源 PCB 设计中，功率线路的布线要求短、粗，以减少线路损耗，这时可以将功率管、整流桥等高热元器件近距离布局，满足功率线路布线需求，但同时要通过增加铜厚、铺铜面积、过孔数量，以及在元器件周围设计散热通道、增加局部散热结构（如散热片），来弥补近距离布局带来的散热问题。

 

在实际设计中，我们还可以通过热仿真软件来优化元器件布局，比如利用 ANSYS、Flotherm 等软件，导入 PCB 的元器件布局图和各元器件的功耗数据，模拟 PCB 的温度分布，查看是否存在局部高热区、热叠加区，然后根据仿真结果调整元器件的位置和间距，直到温度分布达到合理范围。对于中小功率 PCB 设计，如果没有热仿真软件，也可以采用 “经验布局 + 实际测试” 的方式，先根据散热原则进行布局，再通过样机测试测量 PCB 各区域的温度，针对高温区进行布局优化。

 

最后，元器件布局的散热设计需要多学科协同，PCB 设计者要与硬件工程师、结构工程师提前沟通，明确元器件的功耗、散热结构的安装位置、设备的通风方式，让元器件布局与散热结构、设备结构相匹配。比如结构工程师设计了散热片，PCB 设计者就要根据散热片的尺寸和安装位置，确定高热元器件的布局区域；硬件工程师调整了元器件的功耗，PCB 设计者就要及时调整布局，确保散热需求能得到满足。

 

    元器件布局的核心是 “让热量有处可去，避免相互叠加”，合理的布局能从源头减少 PCB 的散热压力，是 PCB 散热设计中不可或缺的一环。下一篇我们将聊聊 PCB 布线的散热设计技巧，看看如何通过优化布线，让热量传导更通畅，同时减少布线带来的额外发热。