PCB散热设计原理和方法

一路上

一、前言

电路设计中热设计是非常重要的，通常对于大功率的芯片诸如BUCK，LDO，Diver，MOS等芯片，在芯片设计封装上为了减小芯片热阻会在芯片底部外置Exposed Pad /Thermal Pad，以使芯片工作时高效散热。为了提高散热效率，PCB也需要进行敷铜和过孔设计。

目前越来越多的半导体功率器件为了减小体积，降低高度，都采用一些表贴封装QFN8*8，TOLL，TOLF等。通过表贴器件(TOLF)上表面开窗，导热垫直接贴到散热器上散热，效果与TO系列相同。

二、表贴件散热途径

对于TOLL这种器件，其上表面为塑封，则热阻会较大，直接上表面贴散热器的效果不好，通常的方法是通过元器件下表面(焊接面)，将热量导到PCB，PCB再贴散热器或机壳来散热。(当然，对于TOLL类的器件，如果同时将其上表面也贴壳，散热效果会更好一点)

三、提高散热性能的方法

1、敷铜面积和厚度加大

2、敷铜层数增多

3、散热器件附近的走线设计

4、VIA设计

• 散热过孔的直径8mil~12mil，散热过孔之间的距离25mil~50mil。(与PCB制造商的能力相关)
  

• 过孔的个数越多散热的效果越好，但不是无限多，下图是随着过孔个数芯片热阻的变化。
  

从上图结果表明，在Thermal Pad下方过孔数量从0增加为6个时，芯片热阻下降速度显著。

注意：而再增加过孔超过了Thermal Pad 的区域，芯片热阻趋近于平缓。

• 过孔的孔径越大，作为热传导路径的过孔本身热阻降低，对芯片的散热能力越强。下图是过孔孔径分别为Φ0.3mm, Φ0.5mm, Φ1mm对应不同的芯片热阻情况。
  

注意：虽然孔径越大热阻越小，但为了防止波峰焊透锡，建议过孔孔径不超过0.3mm。

• 散热过孔的填充：用铜填充肯定最好，但造价太高，工艺复杂。可以通过指定散热过孔的内壁厚度来代替。可以用导电环氧树脂塞孔，然后两面盖上铜，是比较常用的方法。
  

注意：如果不塞孔的话，需要注意在回流焊时，锡膏流入过孔，导致焊接不良，同时也影响散热的问题。

四、开窗散热

开窗又可以分为TOP层放阻焊和BOT层放阻焊，BOT层过孔局部开窗等方法，也可以通过过孔阻焊来放置锡膏流失。

TOP层放阻焊，相对好一些，因为BOT层放阻焊，锡膏还是会有流入过孔的情况，虽然BOT层堵住了，另外BOT层放阻焊，可能还是出现焊接过程中，过孔中的空气膨胀，造成焊接气孔的不良现象。但TOP层放阻焊，可能会影响散热效果。

BOT层过孔局部开窗的方法，能防止出现焊接气孔的现象，但焊锡膏还是会流入过孔，只不过是，BOT层过孔周边有阻焊，不会造成锡膏向周围爬锡而已。同时，这种方法会在BOT层过孔处形成一个焊锡的小凸台，可能会影响PCB贴合散热器的平整度。

五、结语

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。更多过孔内容请看：PCB芯片散热焊盘设计、PCB过孔的类型的应用、PCB焊盘基础知识孔环在、PCB设计中的重要性、PCB盲孔和埋孔的规格、PCB邮票孔的种类和制造过程。