现在，随着高速通信、功率电子、5G、新能源汽车和人工智能等技术的发展，电子系统变得更加复杂，功能更多、密度更高、功耗也更大。

一块PCB可能同时承载几十甚至上百个器件，这些器件持续工作产生大量热量。如果不及时散热，就会导致器件温度升高，性能下降，寿命缩短，严重时甚至发生烧毁、电路失效。

散热问题已经成为电子产品可靠性设计中必须重点关注的一环。传统的热设计方法已经很难满足新一代电子产品的要求。因此，必须在材料、结构、工艺和系统设计方面不断创新，寻找更有效的热管理方法，来保证设备长期稳定运行。

PCB热管理的基本原理

1. 热量来源

PCB上的热量主要来自以下几个方面：

• 芯片在工作过程中产生的热；

• 电源转换过程中的损耗热；

• 电流通过导线、接插件等产生的电阻热；

• 电磁波对周边材料的吸收热。

这些热量会集中在高功率元件或密集元件区域，形成局部高温区域，也叫“热斑”。

2. 热传导路径

热量在PCB中的传导路径大致为：

1. 从元器件发热面传到焊点；

2. 通过焊点传到PCB铜箔和基材；

3. 由基材向下层或外壳传导；

4. 最后经由空气、导热材料、散热片、风冷或液冷排出。

任何一个环节的热阻过高，都会导致温升加剧。因此，降低各层结构之间的热阻，是热管理设计的关键。

3. 影响因素

PCB的热管理效果，主要受到以下因素影响：

• 元器件功耗和布局方式；

• 板材导热性能（如TG值、热导率）；

• 铜箔厚度、铜层面积；

• 导热介质（如导热填料、导热胶）；

• 散热结构（如金属散热片、风扇）；

• 外壳材质和整体环境温度。

了解这些影响因素后，才能针对性地提出改进方法。

当前主流的PCB热管理方法及其不足

方法一：加厚铜层

通过增加PCB中铜箔的厚度（例如2oz、3oz或更高），提升整体导热能力。这是最常见也最直接的手段。

不足：厚铜板成本高，加工难度大，布线空间小，可能造成电气性能下降。

方法二：增加散热铜箔面积

在高热区域周围尽可能铺铜，扩大导热路径。也可以将多个器件连接到同一个大铜面。

不足：受布线限制，铜面面积有限，容易产生非对称热分布。

方法三：使用高TG或高导热板材

高TG板材可以承受更高温度而不变形；高导热板材（如含陶瓷填料）可以更快传热。

不足：价格昂贵，加工窗口窄，与其他材料兼容性可能差。

方法四：使用导热介质

在器件和散热片之间填充导热胶、导热垫片等，减少接触热阻。

不足：材料老化问题突出，导热效率受厚度控制影响大。

方法五：加装金属散热片或风扇

安装铝制、铜制散热片；在系统中加入风扇，加强空气流动。

不足：结构复杂、重量增加、噪音较大、成本上升，对密闭系统不适用。

方法六：控制器件布局与风道设计

将发热器件分散布置，避免热源集中，同时优化风道方向，提高冷却效果。

不足：受空间、布线和结构限制，灵活性低。

以上方法虽然在传统设计中被广泛使用，但面对现代产品的高密度、小型化、高性能要求，仍存在很多局限。因此，必须探索新的思路。

PCB热管理的创新设计方法

一、引入“热通道”概念设计

思路：不仅让电流通畅，还让热量也有明确传导路径。

做法：

• 在PCB内部设计“热通道层”，即通过局部加铜、热填料或金属嵌件，形成高效导热路径；

• 对发热器件引出导热柱，直接连接到外部散热结构；

• 建立“垂直传热路径”，将热量从上表层导入底部金属外壳中。

优点：提高热流通效率，避免热量堆积在板内，提升可靠性。

二、采用“嵌入式金属核”结构

思路：将金属核心材料嵌入PCB中间层，提升整板热传导能力。

做法：

• 在多层PCB中间加入铜、铝、不锈钢等金属层；

• 金属核与热源器件垂直对应，实现短路径导热；

• 可与热填料配合使用，进一步降低热阻。

优点：热性能提升明显，特别适合高功率LED、射频、电源类产品。

三、使用高导热复合介质层

思路：将传统环氧树脂替换为高导热树脂，或混合导热填料制成复合介质材料。

做法：

• 使用填充氧化铝、氮化硼、氮化铝等粉末的复合材料；

• 设计不同粒径和体积分布，优化流动性与导热性；

• 保持电绝缘性能不受影响。

优点：在不改变板厚和结构的前提下提升导热效率，适合批量化生产。

四、系统级散热协同设计

思路：不仅优化PCB本身，还要考虑整个系统的散热路径设计。

做法：

• PCB与外壳协同设计，热源直接导入金属壳体；

• 利用外壳作为散热器，减少中间热阻；

• 结合风道设计、热仿真进行整体热管理布局。

优点：实现结构一体化，简化工艺，提升整体热管理水平。

五、导热层堆叠与分布优化

思路：在多层板结构中，科学安排每一层的功能，不仅考虑信号，还要考虑热量分布。

做法：

• 高功率区域靠近热导层；

• 信号层与热层分隔，避免串扰；

• 通过仿真优化热层厚度与布线密度。

优点：提升热-电兼容性，保证可靠性不受损失。

六、液冷或相变冷却方案（用于极端场合）

思路：利用相变或液体流动吸热的方式解决极高热通量问题。

做法：

• 在PCB结构中引入微通道冷却片；

• 使用低沸点冷却液或金属液；

• 配合密封腔体形成小型冷却系统。

优点：可应对大于300W的功率密度，适合航天、雷达、高频通讯领域。

不足：结构复杂、成本高，只适用于特殊场合。

从细节到系统，重构热设计思维

PCB热管理设计不再是“贴个散热片”的简单工作。它需要材料科学、结构设计、仿真模拟和系统架构的共同配合。随着电子产品热密度不断提升，热管理必须从传统被动方式向主动、系统、协同的方向转变。

未来的热管理设计，将更加重视：

• 从产品设计初期就引入热管理评估；

• 将导热、散热、气流、电性能统一考虑；

• 建立标准化热仿真流程，减少试错；

• 开发新材料、新结构与新冷却方式；

掌握上述创新方法，不仅可以有效降低产品温升，还能提升系统可靠性、延长寿命、降低维护成本，是现代电子产品成功的重要保障。在开·云appPCB，我们随时为您的项目提供量身定制的高质量 PCB 制造和组装服务，为您的旅程提供支持。