中心議題：

• PCB熱設計的方法

解決方案：

• 減小發熱量
• 加快散熱

隨著電予產品的輕薄小型化、高性能化，IC器件高集成化、引發印製電路板的集成度提高，發熱量明顯加大，特別是高頻IC器件如A／D，D／A類的大量使用以及電路頻率點的上移，PCB的(de)熱(re)密(mi)度(du)越(yue)來(lai)越(yue)大(da)，如(ru)果(guo)散(san)熱(re)問(wen)題(ti)解(jie)決(jue)不(bu)好(hao)，勢(shi)必(bi)引(yin)起(qi)電(dian)路(lu)中(zhong)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)以(yi)及(ji)其(qi)它(ta)熱(re)敏(min)感(gan)器(qi)件(jian)溫(wen)度(du)的(de)升(sheng)高(gao)

，導(dao)致(zhi)電(dian)路(lu)工(gong)作(zuo)點(dian)的(de)漂(piao)移(yi)和(he)性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)的(de)下(xia)降(jiang)，影(ying)響(xiang)電(dian)路(lu)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)；特別對於機載
、星載這類特殊環境中工作的電路，。熱設計‘不合理可能會引發整個係統的失效
，因此必須高度重視板級電路的熱設計。

PCB熱設計的目的是采取適當的措施和方法降低元器件的溫度和PCB板的溫度，使係統在合適的溫度下正常工作。本文主要從減少發熱元件的發熱量及加快散熱等方麵探討板級電路熱設計及其實現方法。

1減小發熱量

PCB中熱量的來源主要有三個方麵：(1)電子元器件的發熱
；(2)PcB本身的發熱；(3)

其它部分傳來的熱。在這三個熱源中，元器件的發熱量最大
，是主要熱源，其次是PCB板產生的熱
，外部傳入的熱量取決於係統的總體熱設計，這不在本文討論範圍。


元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)發(fa)熱(re)量(liang)是(shi)由(you)其(qi)功(gong)耗(hao)決(jue)定(ding)的(de)

，因(yin)此(ci)在(zai)設(she)計(ji)時(shi)首(shou)先(xian)應(ying)選(xuan)用(yong)功(gong)耗(hao)小(xiao)的(de)元(yuan)器(qi)件(jian)，盡(jin)量(liang)減(jian)小(xiao)發(fa)熱(re)量(liang)。其(qi)次(ci)是(shi)元(yuan)器(qi)件(jian)工(gong)作(zuo)點(dian)的(de)設(she)定(ding)，一(yi)般(ban)應(ying)選(xuan)擇(ze)在(zai)其(qi)額(e)定(ding)工(gong)作(zuo)範(fan)圍(wei)，在(zai)此(ci)範(fan)圍(wei)內(nei)工(gong)作(zuo)時(shi)性(xing)能(neng)佳(jia)，功(gong)耗(hao)小(xiao)，壽(shou)命(ming)最(zui)長(chang)。功(gong)放(fang)類(lei)器(qi)件(jian)本(ben)身(shen)發(fa)熱(re)量(liang)就(jiu)大(da)，設(she)計(ji)時(shi)盡(jin)量(liang)避(bi)免(mian)滿(man)負(fu)荷(he)工(gong)作(zuo)。對(dui)於(yu)大(da)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)應(ying)貫(guan)徹(che)降(jiang)額(e)設(she)計(ji)的(de)原(yuan)則(ze)，適(shi)當(dang)加(jia)大(da)設(she)計(ji)富(fu)裕(yu)度(du)，這(zhe)無(wu)論(lun)是(shi)對(dui)於(yu)加(jia)大(da)係(xi)統(tong)穩(wen)定(ding)性(xing)
、可靠性和降低發熱量都有好處。
　
PCB板由於線路本身電阻發熱
，以及交流
、高頻激化生熱。PCB是由銅導體和絕緣介質材料組成，一般認為絕緣介質材料不發熱。銅導體圖形由於銅本身存在電阻

，當電流通過時就發熱

，象mA(毫安)、uA(微安)級那樣的小電流通過時
，發熱問題可忽略不計，但當大電流(百毫安級以上)通過時就不能忽視。
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值得注意的是，當導體圖形溫度上升到85℃左右時，絕緣材料自身開始發黃(圖1)
，電(dian)流(liu)繼(ji)續(xu)通(tong)過(guo)，最(zui)後(hou)銅(tong)圖(tu)形(xing)熔(rong)斷(duan)，特(te)別(bie)是(shi)多(duo)層(ceng)板(ban)內(nei)層(ceng)圖(tu)形(xing)
，周(zhou)圍(wei)都(dou)是(shi)傳(chuan)熱(re)性(xing)差(cha)的(de)樹(shu)脂(zhi)
，散(san)熱(re)困(kun)難(nan)

，因(yin)而(er)溫(wen)度(du)不(bu)可(ke)避(bi)免(mian)地(di)上(shang)升(sheng)，所(suo)以(yi)特(te)別(bie)要(yao)注(zhu)意(yi)導(dao)體(ti)圖(tu)形(xing)線(xian)寬(kuan)的(de)設(she)計(ji)。實(shi)際(ji)上(shang)在(zai)進(jin)行(xing)PCB布線設計時走線線寬主要依據其發熱量和散熱環境來確定的。銅導體的截麵積決定了導線電阻(數字電路中線電阻引起的信號損耗可忽略不計)，銅導體和絕緣基材的導熱率影響溫升

，進而決定載流量。圖2是普通FR-4覆銅箔板銅導體圖形線寬及截麵積與允許電流之間的關係圖。從圖中可以看出：導體圖形截麵積一定
，當其允許電流值為2A，溫度上升值低於10℃時，對於35Um銅箔，其線寬應設計為2mm：對於70um銅箔，其線寬應設計為lmm。由此得出：當導體的截麵積
、允許電流和溫度上升值一定時，可通過增加銅箔厚度或加大線寬值兩個方麵來滿足走線的散熱要求。





2加快散熱

在(zai)給(gei)定(ding)條(tiao)件(jian)下(xia)，當(dang)板(ban)級(ji)電(dian)路(lu)中(zhong)元(yuan)器(qi)件(jian)溫(wen)度(du)上(shang)升(sheng)到(dao)超(chao)過(guo)可(ke)靠(kao)性(xing)保(bao)證(zheng)溫(wen)度(du)時(shi)，便(bian)要(yao)采(cai)取(qu)適(shi)當(dang)的(de)散(san)熱(re)對(dui)策(ce)，使(shi)其(qi)溫(wen)度(du)降(jiang)低(di)到(dao)可(ke)靠(kao)性(xing)工(gong)作(zuo)範(fan)圍(wei)內(nei)

，這(zhe)就(jiu)是(shi)我(wo)們(men)進(jin)行(xing)熱(re)設(she)計(ji)的(de)最(zui)終(zhong)目(mu)的(de)。散(san)熱(re)是(shi)PCB熱設計的主要內容。對於PCB來說，其散熱無外乎三種基本類型一一導熱、對流
、輻fu射she。輻fu射she是shi利li用yong通tong過guo空kong間jian的de電dian磁ci波bo運yun動dong將jiang熱re量liang散san發fa出chu去qu，其qi散san熱re量liang較jiao小xiao，通tong常chang作zuo為wei輔fu助zhu散san熱re手shou段duan。導dao熱re和he對dui流liu是shi主zhu要yao散san熱re手shou段duan，我wo們men常chang用yong的de散san熱re方fang式shi一yi一yi用yong散san熱re器qi將jiang熱re量liang從cong熱re源yuan上shang傳chuan導dao出chu來lai，利li用yong空kong氣qi對dui流liu散san發fa出chu去qu。

通過元器件優化排列改善散熱

1按散熱要求進行元件布置

交jiao錯cuo分fen散san排pai列lie。在zai布bu板ban設she計ji進jin行xing元yuan件jian布bu局ju時shi，應ying將jiang發fa熱re元yuan器qi件jian與yu一yi般ban器qi件jian及ji溫wen度du敏min感gan器qi件jian區qu分fen開kai，發fa熱re器qi件jian周zhou圍wei應ying留liu有you足zu夠gou的de散san熱re氣qi體ti流liu動dong通tong道dao
，發fa熱re元yuan件jian應ying錯cuo開kai分fen散san排pai列lie
，如ru圖tu3所示。這與通常布局時的整齊劃一排列恰好相反，有利於改善散熱效果。[page]

當熱性能不同的元件混合安裝時，最好將發熱量大的元件安裝在下風處，放熱小的元件安裝在上風處。圖4顯示元件的常規排列
，圖4(b)是將發熱大的元件安裝在上風處，發熱小的元件(C
、IC等)安裝在下風處，這樣耐熱差的元件會處在發元件散熱的路徑上，其結果是耐熱性差的元件處較高溫度處。所以，元件最好按圖4(a)排列
，實際上，導體圖形設計要達到圖4(a)的理想排列仍有困難。




熱性能相同發熱元器件布置：圖5顯示PCB上安裝IC(0．3W)
，LSI(1．5W)時溫度上升的實測值。按圖5(a)排列，IC的溫度上升值是18℃-30℃，LSI溫度上升值是50℃。按圖5(b)排列
，LSI溫度上升值是40℃，比圖5(a)排列還要低10℃。

因此
，具有相同水平的耐熱元件混合排列時，基本排列順序是：耗電大的元件
、散熱性差的元件應裝在上風處。

2高發熱器件加散熱器、導熱板

當PCB中有少數器件發熱量較大時(少於3個)時，可在發熱器件上加散熱器或導熱管，當溫度還不能降下來時
，可采用帶風扇的散熱器，以增強散熱效果。當發熱器件量較多時(多於3個)
，可采用大的散熱罩(板)，它是按PCB板ban上shang發fa熱re器qi件jian的de位wei置zhi和he高gao低di而er定ding製zhi的de專zhuan用yong散san熱re器qi或huo是shi在zai一yi個ge大da的de平ping板ban散san熱re器qi上shang摳kou出chu不bu同tong的de元yuan件jian高gao低di位wei置zhi。將jiang散san熱re罩zhao整zheng體ti扣kou在zai元yuan件jian麵mian上shang，與yu每mei個ge元yuan件jian接jie觸chu而er散san熱re。但dan由you於yu元yuan器qi件jian裝zhuang焊han時shi高gao低di一yi致zhi性xing差cha，散san熱re效xiao果guo並bing不bu好hao。通tong常chang在zai元yuan器qi件jian麵mian上shang加jia柔rou軟ruan的de熱re相xiang變bian導dao熱re墊dian來lai改gai善shan散san熱re效xiao果guo。

通過PCB板本身散熱

目前廣泛應用的PCB板材是覆銅／huanyangbolibujicaihuofenquanshuzhibolibujicai，haiyoushaoliangshiyongdezhijifutongbancai。zhexiejicaisuiranjuyouyouliangdedianqixingnenghejiagongxingneng
，dansanrexingcha，zuoweigaofareyuanjiandesanretujing，jihubunengzhiwangyouPCB本身樹脂傳導熱量
，而是從元件的表麵向周圍空氣中散熱。但隨著電子產品已進入到部件小型化、高密度安裝、高發熱化組裝時代，若

隻靠表麵積十分小的元件表麵來散熱是非常不夠的。同時由於QFP、BGA等表麵安裝元件的大量使用，元器件產生的熱量大量地傳給PCB板，因此
，解決散熱的最好方法是提高與發熱元件直接接觸的PCB自身的散熱能力
，通過PCB板傳導出去或散發出去。
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1選用導熱性良好的板材

現今大量使用的環氧玻璃布類板材，其導熱係數一股為0．2W／m℃。putongdedianzidianluyouyufareliangxiao，tongchangcaiyonghuanyangbolibuleijicaizhizuo，qichanshengdeshaoliangreliangyibantongguozouxianreshejiheyuanqijianbenshensanfachuqu。suizheyuanjianxiaoxinghua
、高(gao)集(ji)成(cheng)化(hua)，高(gao)頻(pin)化(hua)，其(qi)熱(re)密(mi)度(du)明(ming)顯(xian)加(jia)大(da)

，特(te)別(bie)是(shi)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)的(de)使(shi)用(yong)，為(wei)滿(man)足(zu)這(zhe)種(zhong)高(gao)散(san)熱(re)要(yao)求(qiu)後(hou)來(lai)開(kai)發(fa)出(chu)了(le)一(yi)些(xie)新(xin)型(xing)導(dao)熱(re)性(xing)板(ban)材(cai)。如(ru)美(mei)國(guo)研(yan)製(zhi)的(de)T-Lam板材，它是在樹脂內填充了高導熱性的氮化硼粉，使其導熱係數提高到4W／m℃，是普通環氧玻璃布類基材的20倍。美國Rogers公司開發的複合基材RO4000係列和TMM係列
，它是在改性樹脂中添加了陶瓷粉，使其導熱係數提高到(0．6-1)W／m℃,是普通環氧玻璃布類基材的3—5倍
，也是一種不錯的選擇。還有就是陶瓷基板，它是由純度為92％-96％的氧化鋁(AI2O3)製成，其導熱係數提高到10W／m℃

，是普通環氧玻璃布類基材的50倍
，它大量使用在混合IC，微波集成器件以及功率組件中，是導熱性良好基板材料。還有就是導熱性較好的SiC和AIN等材料，其作為PCB基材應用還在進一步研究中。


2采用合理的走線設計實現散熱

由於板材中的樹脂導熱性差
，而銅箔線路和孔是熱的良導體，因此提高銅箔剩餘率和增加導熱孔是散熱的主要手段。

評價PCB的散熱能力
，就需要對由導熱係數不同的各種材料構成的複合材料一一PCB用絕緣基板的等效導熱係數(九eq)進行計算。PCB板的等效導熱係數見圖6所示。


從表2我們可以看出板厚度越小，銅箔越厚，銅箔剩餘率越高，層數越多，其等效導熱係數越大，PCB板的導(散)熱效果越好。
　　
PCB厚度方向的導熱係數比表麵的導熱係數小得多。為了改善厚度方向的導熱性
，可采用導熱孔。導熱孔是穿過：PCB的金屬化小孔(1．0mm-0.4mm)。其效果相當於一個細銅導管沿PCB厚度方向從其表麵穿透，使PCB正背麵的熱量發生短路

，發熱元件的熱量向PCB背麵迅速逃逸或傳導給其它散熱層。如安裝在PCB上的IC裸芯片，在其正下方的PCB板上設置無數個導熱孔的設計方案正在普及。因此
，在PCB走線時為提高散熱能力
，應采用粗線、厚銅箔、薄板、多層
、大麵積鋪銅、加導熱孔設計方案。



3采用金屬基(芯)POB板進行散熱

jinshujiduocengyinzhibanshizhizaiduocengbandemouyimianchenshangjinshuban

，tongguojinshubanxiangwaisanrehuozhijieyuwaijiesanrezhuangzhixianglianqidaokuaisusanredexiaoguo。muqianshimianshangyiyoubiaozhundedanmianlvjifutongbobancaichushou，bingzai開關電源、汽車、飛機發動機的驅動電路上大量使用。當電路密度較高，有雙麵SMT要求或通孔插裝元件較多時，必須采用高導熱型金屬芯多層板來實現。它是將導熱性較好的

金屬板嵌入多層印製板的中間，其典型結構如圖7金屬芯板本身也可作為地層使用，其上下層可通過金屬化孔(與芯板絕緣)互聯，並通過導熱孔實現熱量在金屬芯板內層和表麵的傳遞。如圖7suoshi，fareyuanjianketongguodibuhedaorekongzhijiehanjiezaibanmianshang，fareqijianchanshengderezhijiechuandidaojinshuxinban
，youjinshuxinbanjingdaorekongchuangeijiechudeanzhuangjixiangersanfachuqu；熱re量liang較jiao大da時shi可ke銑xi去qu芯xin板ban兩liang邊bian的de絕jue緣yuan層ceng
，通tong過guo邊bian緣yuan裸luo露lu的de金jin屬shu芯xin板ban與yu機ji座zuo接jie觸chu散san熱re

，因yin此ci具ju有you良liang好hao的de散san熱re效xiao果guo。對dui處chu於yu密mi閉bi機ji箱xiang中zhong的de電dian路lu散san熱re是shi一yi種zhong較jiao好hao的de選xuan擇ze金jin屬shu芯xinPCB的芯材通常有鋁
、銅、鋼等
，後來開發出了覆銅因瓦複合材料(CIC)
，它不僅具有良好的導熱性
，而且其熱膨脹係數與半導體器件匹配性好，所製成的CIC金屬芯板可應用於要求高可靠性、高組裝密度、高功率、高性能的軍用電子設備中。