电子产品世界

对于硬件工程师而言，PCB 设计水平直接影响电子产品的性能与稳定性。在之前的系列文章中，我们探讨了 PCB 设计的众多关键要点，本文将继续深入，聚焦一些容易被忽视却又至关重要的方面，助力硬件工程师进一步提升 PCB 设计技能。

一、布局设计

①高功率发热元件是否放置在靠近 PCB 边缘或通风口等易于散热的区域？可利用 CFD（计算流体动力学）模拟软件，分析不同放置位置的空气流动与散热效果，从而确定最佳位置。




②发热元件之间是否保持足够的间距以避免热量聚集？可依据热仿真分析结果，设定合适的间距值，保证热量有效散发。发热器件应尽可能分散布置，使 得单板表面热耗均匀，有利于散热。




③敏感元件是否远离发热元件？通过热影响区域分析，确定敏感元件与发热元件之间的安全距离。不要使热敏感器件或功耗大的器 件彼此靠近放置，使得热敏感器件 远离高温发热器件，常见的热敏感 的器件包括晶振、内存、CPU等。要把热敏感元器件安排在最冷区域。对自然对流冷却设备，如果外壳密封，要把热敏感器件置于底部，其它元器件置于上部；如果外 壳不密封，要把热敏感器件置于冷 空气的入口处。对强迫对流冷却设 备，可以把热敏感元器件置于气流入口处。




④ 参考板内流速分布特点进行器件布局设计，在特定风道内 面积较大的单板表面流速不可避免存在不均匀问题，流速大的 区域有利于散热，充分考虑这一因素进行布局设计将会使单板 获得较优良的散热设计。




⑤对于通过PWB散热的器件，由于依靠的是PWB的整体面积来散热，因此即使器件处于局部风速低的区域内，也并不一定会有散热问题，在进行充分热分析验证的基础上，没有必要片 面要求单板表面风速均匀。




⑥当沿着气流来流方向布置的一系列器件都需要加散热器时，器件尽量 沿着气流方向错列布置，可以降低上下游器件相互间的影响。如无法交错 排列，也需要避免将高大的元器件（结构件等）放在高发热元器件的上方。






⑦对于安装散热器的器件，空气流经该器件时会产生绕流，对该器件两 侧的器件会起到换热系数强化作用；对该器件下游的器件，换热系数可能会加强，也可能会减弱，因此对于被散热器遮挡的器件需要给出特别关注。




⑧注意单板风阻均匀化的问题：单板上器件尽量分散均匀布置，避免沿 风道方向留有较大的空域，从而影响单板元器件的整体散热效果。

在电子设备运行时，芯片和其他元件会产生热量，如果热量不能有效散发，会导致元件性能下降甚至损坏。在布局时，要将发热量大的元件（如功率芯片、大功率电阻等）放置在利于散热的位置，比如靠近进风口，或者风速较大的位置。同时，要避免将对温度敏感的元件（如晶体振荡器、某些传感器）放置在发热元件附近，防止其性能受温度影响。

例如，在设计一款工业控制板时，将功率 MOSFET 集中放置在 PCB 边缘，并在其下方设置大面积的散热铜箔，同时在铜箔上添加过孔，形成 “热过孔”，有效增强了散热效果。通过这种方式，该控制板在长时间高负载运行下，关键元件的温度仍能保持在合理范围内，确保了系统的稳定性。此外，稳定的温度环境对信号完整性也有积极影响。过热可能导致元件参数漂移，进而影响信号传输的准确性和稳定性 ，良好的热管理能为信号的稳定传输提供基础条件。

2、不同封装的器件采用合适的散热设计

好的单板散热方案必须针对器件的散热特性进行设计! THD器件的管脚数量少，焊接后封装也不紧贴单板，与单板的热关联性很 小，该类器件的热量都是通过器件表面散到环境中。因此早期的器件散热研究 比较注重于器件表面的空气流动，以期获得比较高的器件表面对流换热系数。

SMD器件集成度高，热耗也大，是散热关注的重点。该类器件的管脚/焊 球数量多，焊接后封装也紧贴单板，与单板建立起紧密的换热联系，散热方案 必须从单板整体散热的角度进行分析。SMD器件针对散热需求也出现了多种强 化散热的封装，这些封装的种类繁多，但从散热角度进行归纳分类，以引脚封 装和焊球封装最为典型，其它封装的散热特性可以参考这两种类推。

PGA类的针状管脚器件基本忽略单板散热，以表面散热为主，例如CPU等。

【设计经验】共用散热器，需要考虑器件公差及导热硅胶的厚度。

EGPU单板，公司热设计的仿真结论温度比较高，而使用相同的仿真模型，Intel散热仿真模型的温度比较低，经过下午与Intel讨论，分析原因是Intel建立的仿真模型，CPU与散热器的导热胶厚度为0.13mm，而我们目前仿真模型中使用的仿真模型是0.3mm。导致：Intel仿真模型中CPU的温度是95摄氏度，而我们的仿真结果是：大于116摄氏度。而0.3mm是参考两个器件公差，得出的经验值，选取了概率比较高的一个参考值。而Intel认为：如果螺钉安装采用弹性橡胶垫，在PCH上添加导热垫（较厚），CPU上添加导热胶，能保证CPU与散热器粘合充分。

1、能否达到0.2mm，或者达到0.13mm，需要结构和工艺确认。

2、如何能够达到0.13mm的间隙，需要Intel提供依据，或者能够提供案例和解决方案。

三、PCB辅助散热

对于电子设备来说，工作时都会产生一定的热量，从而使设备内部温度迅速上升，如果不及时将该热量散发出去，设备就会持续的升温，器件就会因过热而失效，电子设备的可靠性能就会下降。因此，对电路板进行很好的散热处理是非常重要的。

1 、加散热铜箔和采用大面积电源地铜箔。

根据上图可以看到：连接铜皮的面积越大，结温越低

根据上图，可以看出，覆铜面积越大，结温越低。

2、热过孔

热过孔能有效的降低器件结温，提高单板厚度方向温度的均匀性，为在 PCB 背面采取其他散热方式提供了可能。通过仿真发现，与无热过孔相比，在器件热功耗为 2.5W 、间距 1mm 、中心设计 6x6 的热过孔能使结温降低 4.8°C 左右，而 PCB 的顶面与底面的温差由原来的 21°C 减低到 5°C 。热过孔阵列改为 4x4 后，器件的结温与 6x6 相比升高了 2.2°C ，值得关注。

3、IC背面露铜，减小铜皮与空气之间的热阻

在热管理方面，行业标准如 IPC-2221B《印制板设计通用标准》虽未专门针对热管理进行详细规定，但在整体设计原则中强调了电气、机械和热性能之间的平衡 。工程师在设计时应参考该标准，确保热管理措施不会对 PCB 的其他性能产生负面影响。比如，大面积散热铜箔的设计不能影响 PCB 的机械强度，热过孔的设置要考虑对其他线路和元件的影响。

四、热阻分析

是否对 PCB 整体热阻进行了计算和分析？

关键路径的热阻是否在可接受范围内？

热量传递过程中，温度差是过程的动力，好象电学中的电压，换热 量是被传递的量，好像电学中的电流，因而上式中的分母可以用电学中 的电阻概念来理解成导热过程的阻力，称为热阻（thermal resistance）， 单位为℃/W, 其物理意义就是传递1W 的热量需要多少度温差。在热设计中将热阻标记为R或θ。δ/(λA)是导热热阻，1/αA是对流换热热阻。器件的资料中一般都会提供器件的Rjc和Rja热阻，Rjc是器件的结到壳的导热热阻；Rja是器件的结到壳导热热阻和壳与外界环境的对流换热热阻之和。这些热阻参数可以根据实验测试获得，也可以根据详细的器件内部结构计算得到。根据这些热阻参数和器件的热耗，就可以计算得到器件的结温。

两个名义上相接触的固体表面， 实际上接触仅发生在一些离散的面积 元上，如右图所示，在未接触的界面 之间的间隙中常充满了空气，热量将 以导热和辐射的方式穿过该间隙层， 与理想中真正完全接触相比，这种附 加的热传递阻力称为接触热阻。降低 接触热阻的方法主要是增加接触压力 和增加界面材料（如硅脂）填充界面 间的空气。在涉及热传导时，一定不 能忽视接触热阻的影响，需要根据应 用情况选择合适的导热界面材料，如 导热脂、导热膜、导热垫等。

我们可以优化：

导热材料的选型、涂抹或者粘贴的工艺、优化厚度、增加气流、改善散热器、降低热源功率等等。

总之，PCB 设计是一个综合性的工程，需要硬件工程师在布局、布线、热管理。通过遵循相关行业标准，不断学习和实践，积累经验，解决实际设计中遇到的各种问题，才能逐步提升 PCB 设计技能，打造出高性能、高可靠性的电子产品。

关键词： PCB 电路设计