在 PCB 熱管理解決方案中,設(shè)計優(yōu)化是成本最低、效果最顯著的手段 —— 通過合理的疊層設(shè)計、銅箔布局和元器件排布,可在不增加材料成本的前提下,將 PCB 的散熱效率提升 30%~50%。很多工程師在設(shè)計 PCB 時,往往只關(guān)注信號傳輸,忽略了熱管理設(shè)計。今天,作為 PCB 技術(shù)專家,就為大家分享 PCB 熱管理的五大實戰(zhàn)設(shè)計技巧,幫大家打造高效散熱的 PCB。
PCB 的疊層結(jié)構(gòu)決定了熱量的垂直傳導(dǎo)路徑,合理的疊層設(shè)計可大幅降低熱阻。針對高功率 PCB,推薦采用 **“信號層 + 散熱層” 的疊層結(jié)構(gòu) **,核心要點如下:
- 增設(shè)專用散熱層:在 PCB 內(nèi)層設(shè)置 1~2 層完整的銅箔散熱層,厚度不低于 2oz,散熱層直接與接地層連通,利用接地層的大面積銅箔快速擴散熱量;
- 縮短導(dǎo)熱路徑:將發(fā)熱器件(如電源芯片、CPU)布置在靠近散熱層的表層,減少熱量從表層傳導(dǎo)至內(nèi)層散熱層的距離;
- 增加導(dǎo)熱過孔:在發(fā)熱器件的焊盤周圍密集布置導(dǎo)熱過孔(孔徑 0.3~0.5mm),過孔需貫穿表層與散熱層,且孔內(nèi)填充金屬,實現(xiàn)熱量的垂直快速傳導(dǎo)。捷配在高功率 PCB 設(shè)計中,會通過仿真軟件模擬溫度分布,優(yōu)化導(dǎo)熱過孔的數(shù)量和位置。
銅箔是 PCB 中主要的導(dǎo)熱介質(zhì),水平方向的熱量擴散主要依靠銅箔實現(xiàn)。提升水平散熱效率的核心是增加銅箔厚度和擴大敷銅面積:
- 選用厚銅箔:將常規(guī) 1oz 銅箔升級為 2~4oz,厚銅箔的導(dǎo)熱能力更強,能快速將發(fā)熱器件的熱量向四周擴散;
- 發(fā)熱區(qū)大面積敷銅:在芯片、電源模塊等發(fā)熱器件的周圍設(shè)計大面積敷銅,敷銅面積越大,散熱效果越好;同時,敷銅需與接地層連通,避免形成 “孤島銅箔”,影響散熱效率;
- 網(wǎng)格敷銅與實心敷銅結(jié)合:在高頻信號區(qū)域采用網(wǎng)格敷銅,減少對信號的干擾;在發(fā)熱區(qū)域采用實心敷銅,提升散熱能力。
元器件布局是 PCB 熱管理設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié),錯誤的布局會直接導(dǎo)致熱量堆積。核心布局原則是分散熱源、隔離熱敏器件:
- 分散高功率器件:將多個高功率器件(如電源芯片、功放模塊)均勻分布在 PCB 表面,避免集中布置導(dǎo)致熱量疊加;
- 熱源與熱敏器件隔離:將發(fā)熱器件與傳感器、精密芯片等熱敏器件保持足夠的距離(建議不小于 10mm),或在兩者之間設(shè)置散熱隔離帶(如敷銅隔離帶);
- 元器件貼近板邊布局:將發(fā)熱器件布置在 PCB 板邊,利用板邊與空氣的對流散熱,降低局部溫度;同時,板邊布局便于安裝散熱片,提升散熱效率。
對于超高功率 PCB,僅依靠自身結(jié)構(gòu)無法滿足散熱需求,需結(jié)合外部散熱裝置。在設(shè)計時,需提前預(yù)留散熱結(jié)構(gòu)接口:
- 預(yù)留散熱片安裝位:在發(fā)熱器件上方預(yù)留螺絲孔或卡扣位,便于安裝散熱片;同時,確保散熱片與器件之間的接觸面積足夠大,可填充導(dǎo)熱硅膠或?qū)釅|片,降低接觸熱阻;
- 設(shè)計風(fēng)道布局:在 PCB 上預(yù)留風(fēng)道,引導(dǎo)空氣流通,提升對流散熱效率;對于密閉設(shè)備,可設(shè)計散熱孔,增強空氣交換;
- 匹配液冷接口:對于極高功率密度的設(shè)備(如服務(wù)器、軍工設(shè)備),需設(shè)計液冷管道接口,通過液體循環(huán)帶走熱量。
在 PCB 設(shè)計完成后,建議通過熱仿真軟件(如 ANSYS、Flotherm)模擬溫度分布,提前發(fā)現(xiàn)局部熱點問題。通過仿真分析,可直觀看到 PCB 各區(qū)域的溫度值,進(jìn)而優(yōu)化疊層結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱過孔位置和元器件布局,避免后期量產(chǎn)出現(xiàn)熱管理問題。