一、PCB热管理的基本概念

1.1 热源的主要来源

• 高功耗器件：如MOSFET、LDO、电源模块、MCU等。

• 高频器件：如FPGA、射频芯片、以太网PHY。

• 电源转换区：如DC-DC转换器、整流桥堆。

1.2 PCB导热机制

PCB的散热方式主要有三种：

1. 传导（Conduction）：通过铜箔、过孔等导热路径将热量传递至其他区域或散热器。

2. 对流（Convection）：通过空气流动（自然或风冷）带走热量。

3. 辐射（Radiation）：高温时通过红外辐射形式散热，但在低功耗设计中影响较小。

二、散热铜箔设计技巧

2.1 加厚铜箔提高导热效率

• 通常PCB采用1oz铜厚，散热需求较大时可选用2oz或3oz。

• 增加铜厚能有效降低温升，尤其在大电流通道中效果明显。

2.2 大面积敷铜区域设计

• 在发热器件周围铺设大面积铜皮可形成热缓冲区，提升热扩散能力。

• 避免孤岛铜，连接必须稳固，确保热量传导路径畅通。

2.3 散热铜箔的接地处理

• 大多数散热铜箔建议接地（GND），以避免成为天线源产生EMI问题。

• 若使用多个GND区域，必须用过孔或地线网络连接。

2.4 与器件焊盘连接的热设计

• 建议将热源芯片的散热焊盘（如PowerPAD）连接至铜层，并加过孔导热至下层铜皮或散热金属板。

三、热过孔（Thermal Vias）设计指南

3.1 热过孔的功能

热过孔是连接不同层散热铜层的重要通道，能够将热量迅速从芯片底部传导至内层或底层铜皮、散热片等结构。

3.2 热Vias设计要点

• 直径与数量：

• 常见孔径：0.3mm~0.5mm；

• 数量依据散热功率而定，常见设计为每平方毫米放置1~2个热过孔。

• 过孔填充与金属化：

• 热Vias可以选择镀铜填孔，增强导热性能；

• 若PCB采用回流焊，需避免助焊剂流入或锡膏穿孔造成虚焊。

3.3 多层散热结构设计

• 多层板中应将热Vias连接至多个内层铜皮，形成垂直热通道。

• 可设置独立的散热内层，连接至金属底壳或散热器。

3.4 热过孔的阵列布局

• 将热Vias均匀铺设在芯片焊盘区域，如QFN、DFN等封装底部；

• 常见布局为3x3、4x4或更大阵列，结合散热铜皮使用效果更佳。

四、关键器件布局技巧

4.1 发热器件优先靠近散热区

• 例如靠近PCB边缘、金属散热器或风扇出风口，便于散热。

• 发热集中区域应避免布置其他温度敏感元器件，如RTC、电感。

4.2 热源器件合理分散

• 避免多个高功耗器件集中放置，形成“热岛”效应；

• 多个热源可通过铜皮连接，共享热扩散区域。

4.3 使用散热器件封装

• 选型时可优先考虑带有散热焊盘（如PowerPAK、ePad）的封装；

• 若散热需求极高，可选用带金属壳体封装，外接散热器。

4.4 关键路径避开热源

• 高速信号线、高精度模拟线应避开热源，防止热漂移或信号干扰；

• 多层板中可将热区与模拟区、电源区隔离处理。

五、辅助散热结构与手段

5.1 加装散热片

• 热源芯片顶部可加装铝散热器，使用导热硅脂/导热垫片提升接触效率；

• 通过螺丝、焊接或粘贴固定，确保导热可靠性。

5.2 导热垫与金属底壳

• 将PCB底部连接至铝壳、铜板等结构，通过导热胶或导热垫形成热通道；

• 广泛用于车载电子、工业控制等高可靠性产品。

5.3 风冷与液冷技术

• 中高功耗系统中可引入主动风冷系统；

• 极高功耗领域（如服务器、GPU板卡）需配合液冷散热模块。

六、热仿真与设计验证建议

6.1 热仿真工具推荐

• 常见工具：Ansys Icepak、Mentor FloTHERM、SolidWorks Flow Simulation 等；

• 可提前预测温升，优化布局和铜皮设计。

6.2 实测验证方法

• 使用热成像仪检查热点分布；

• 使用热电偶或热敏电阻采样多个点温度，验证设计效果；

• 确保关键芯片表面温度控制在推荐值以下（如<85℃）。

结语

PCB热设计是一项系统性工作，关乎整机的稳定性、寿命与可靠性。通过合理运用散热铜箔、热过孔与器件布局技巧，可以显著提升热管理水平，降低热故障风险。

随着5G、高速通信和高功率电子系统的发展，热设计的重要性将愈发突出。建议在设计初期就纳入热管理策略，结合仿真与实测工具，打造高效、可靠的电子系统。