干货！PCB Layout 热设计指导

在电源电路的设计中热设计是重要的，是和 PCB 设计同样重要的要素。设计完成以后发生了问题将花费很多时间和成本进行整改。因此，在 PCB 设计的初级阶段开始做好热设计的准备是必要的。在这篇应用笔记中，记载了 PCB 设计时降低热阻的关键点。

从现在开始改变 PCB 的关键参数，查看热阻的变化。以 JEDEC STANDARD JESD51 作为基准，记载了 1 层、2 层、4 层各个实测热阻值。然后，确认上述实测值和仿真值的一致性，记载不符合 JEDEC 基准的 PCB 热阻的仿真值。

PCB 材料、布局、器件放置、封装形状、周围环境的影响热阻值的变化，导致测量值与真实值不一致。因此，不要看数值的绝对值，请参考热阻值的变化趋势。

铜箔面积

Figure 1 是单层 PCB 铜箔面积变化时的热阻曲线。如同 Figure 2 一样通过 PCB 布局改变铜箔的面积。随着散热用的铜箔面积增大、热阻值降低。铜箔面积达到某种程度即使再增大，也不能获得与面积相应的散热效果。Figure 3 是等高线图，可以看出随着与热源距离的增加，相同温度区域增加，散热效果降低。

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接着，我们来看一看多层板热阻的变化。Figure 4 是改变铜箔面积时的热阻曲线。Figure 5 作为 Layout 代表的例子，展示的 2 层板和 4 层板。6 层板和 8 层板以 4 层板作为标准。纵向构造如 Figure 6 所示。通过散热孔把 PCB 从 Top layer 到 Bottom layer 贯通。中间层和散热孔是否连接取决于层数，因此请参阅每个图。

多层板的热阻变化和单层板相同、随着散热用的铜箔面积的增大，热阻降低。可是增大到某种程度以上，也不能获得和面积相应的效果。

2 层板和 4 层板之间的热阻差异很大。由于过孔是纵向结构 (Figure 6),相对于 2 层板从热源开始通过 1.6mm 的过孔向 Bottom layer 传输热量，4 层板从热源开始，通过短距离的过孔向 Middle layer 1 传输大量的热量。总之，从热源开始到最近的散热铜箔之间，距离近的过孔的长度变短，热阻变低。由于 6 层板和 8 层板的距离更短，热阻也相应的更低。

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那么，让我们看一看热源向最近的散热铜箔传递大量热量的情况。如图 Figure 7、用 4 层板，Middle layer 1 和 2 只进行 5505mm2 的大面积铜箔 Layout。但是、Middle layer 2 没有和过孔连接。在这种情况下，改变 Bottom layer 铜箔面积时热阻的变化如 Figure 8 所示。这样、可以判断离热源近的层能充分散热、离热源远的层即使确保铜箔面积散热效果也是不明显的。

综上所述，通过优先增加靠近热源层的铜箔面积，可以有效降低热阻。

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板厚 Figure 9 是 1 层板、改变板厚时的热阻曲线（PCB 参考 Figure 2）。纵轴是以板厚为 1.6mm 时的热阻作为基准(0)表示变化率。板子越厚，热阻就越低。单层板即使纵向热传导，因为下面是传导率小的空气，导致散热困难，所以横向热传导占优势。板子厚度变厚，横向的热阻抗变低。

Figure 10 是改变板厚时的热传导状态、可以看出板子越厚、热量传导越远。

在 Figure 9 中增大 Top layer 的铜箔面积时、相对于板厚热阻的变化变小。这是因为随着铜箔面积的增加，铜箔的热传导优势会增加，板厚对热阻的影响比率减小。

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Figure 11 是在 2 层板经过散热孔向 Bottom layer 铜箔连接的 Layout 中，改变板厚时的热阻曲线（参考 Figure 5 和 6 的 PCB）。纵轴是以板厚为 1.6mm 时的热阻作为基准表示变化率。铜箔面积小的场合，和单层板一样：为了面向基板的热传导率高，基板的厚度越厚，越来越倾向于热阻变低。随着铜箔面积增大，因为经过过孔向铜箔的热传导比率增加，过孔的长度变短（过孔的热阻变低）。总之基板的厚度越薄，热阻越低。铜箔面积小横向热传导有优势，铜箔面积大纵向热传导有优势。这个界限是根据 PCB 的条件变化的。

在 Figure 12 表示基板厚度变化时的热传导的状态、在 Bottom layer 有充分散热用铜箔的条件下，可以判断厚度薄的基板能纵向高效地进行热传导。

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层数

Figure 13 是改变层数时的热阻抗曲线（参考 Figure 5 和 6 的 PCB）。随着层数的增加热阻越来越低。这是因为可以导热的铜箔面积增加了，在“铜箔面积”一项中有说明。从纵向结构 (Figure 6)来看，在板厚相同的情况下，层数越增加，热源到最近的内层铜箔(平面)的距离越近，热阻越低。代表性的层分配如 Table 1 所示。一般情况下从 EMI 的观点出发，与所有的布线层相邻放置的是低电阻的铜箔层(地或者电源)。这样的放置在热设计中也是非常有效、Top layer（在这里是 L1）的热源能垂直向内层平面 L2 高效地进行热传导。

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例如使用 8 层板、Top layer 的热源没有通过过孔向内层连接。由于纵向过孔的热阻增加，即使在 Bottom layer（这里是 L8）配置大面积的铜箔、不能说是最合适的热传导。在这样的条件下，增加 Bottom layer 的铜箔厚度，使其达到某种程度能降低热阻。在多层基板中，在和热源相同的层或者相邻的层铺设大面积的散热用的铜箔，能有效降低热阻。Figure 14 是只在 8 层板特定的层铺设散热铜箔时的热阻曲线。

可以判断随着远离 L1 热源热阻逐渐增大。

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铜箔厚度

Figure 15 是改变铜箔厚度时热阻的变化曲线。铜箔厚度越厚，热阻越低。这是因为作为热传导的路径铜箔本身的热阻很低。在曲线图中，以铜箔厚度为 70um 时的热阻作为基准表示热阻的变化率。使 Top layer 和 Bottom layer 的铜箔厚度变化， Middle layer 固定在 35μm。根据 PCB 的层数的不同、热阻的变化率不同。这是因为铜箔面积等 PCB 的构成不同，所以请作为一个例子来看。这个曲线图的 PCB Layout 是 Figure2、5、6，Top layer 的铜箔面积只是 Footprint，Middle layer 和 Bottom layer 分别是 5505mm2。由于 1 层 PCB 的铜箔面积只在 Footprint 部分，可以看到铜箔厚度的影响很小。在 Figure 16 中，表示将铜箔面积扩大到 1200mm2 时的结果。可以看出，向铜箔的热传导增强了，铜箔厚度的影响比率变大。2 层 PCB 的热阻变化率变大了，这主要时因为热传导路径是 Bottom layer 的铜箔，铜箔厚度的影响比率变大了。由于 4 层 PCB 向 Middle layer 传输很多的热量，Bottom layer 的铜箔厚度的影响比率比较小。

无论如何、铜箔的厚度越厚,热阻越低。

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散热过孔

Figure 17 表示在安装了 HTSOP-J8 封装的 PCB 中，根据散热过孔个数的不同，热阻的变化。过孔的个数越多，热阻越低。可以看出，仅仅一个过孔、散热效果也很明显。如果在裸露焊盘的正下方放置过孔，可能会在回流焊工序中吸走焊料，并且降低融合率。为了回避这问题，设计了避开过孔的漏字板(网板)，或者在周围布置过孔的方法避开裸露焊盘。Figure 18 表示了各种方法的热阻变化。漏字板的方式(I)热阻稍稍变差。可是向周围布置过孔的方式(J)，热量一旦经过铜箔传递到过孔，使铜箔的热阻被增加。因此，随着散热过孔的效果与热源的距离增加而变小，尽可能放置过孔在热源的正下方。

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Figure 19 显示的是变化孔径时的热阻。孔径越大热阻越。这是因为作为热传导路径的孔本身的热阻降低。在这个例子中,为了看孔径的影响全部在同一位置配置孔。实际上，由于孔径越小能在较窄 pitch 上配置，所以 0.3mm、0.5mm 的热阻比这个例子低。Layout K (0.3mm)相当于前一页的 Layout J。当将孔配置在裸露焊盘或 FIN 正下方焊锡部分的情况下,为了防止焊锡吸入推荐 0.3mm 以下的尺寸。

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热源的位置

Figure 20 是根据基板上热源位置的不同热阻的变化。A 将热源配置在基板的中央，因为是向全方向热传导，所以热阻最低。B 在基板边缘配置的状态下，由于能够热传导的体积变少，热阻变高。C 是作为主要热传导目的地的铜箔表面被狭缝分割的情况。为了防止电磁干扰和噪声，可以考虑在 ground plain 上开一条缝，将按功能分区分开。这种情况下主要导热处的铜箔面积虽然减少了，但是因为有基板(FR4)等其他散热路径，所以与放在边缘相比热阻上升变少。由于实机中存在多个元件，所以很难确保一个热源的铜箔面积很宽，所以要以热源为中心，尽可能确保铜箔面积 360°均等，这样的 Layout 非常重要。

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接近热源的情况下

Figure 21 是接近热源时的热阻变化。在这个例子中，B 和 C 接近 3 个功率损耗相同的热源，但与只有 A 一个热源时相比，热阻更高。这是因为各个器件都受到了热干扰，导致器件的周围温度上升。热源之间的距离越短，受影响越大。

像这样一个一个进行热设计时，即使设计目标值中有温度上升，但如果三个同时工作，每个都受到热的影响，就必须考虑热干扰的现象进行热设计。多通道输出的电源、LED 驱动器、马达驱动器等，都有这样的情况。

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热源的分散

Figure 22 是分散热源时的热阻变化。A 是一个器件发生了功率损耗的情况，接合温度是 107.4°C。B 是将 A 的功率损耗平均分散到 3 个器件上的情况。虽然器件之间发生了热干扰，但分散热源可以减轻温度上升。这个是热传导面积增加导致热阻降低。

像这样，分散热源(功率损耗)是降低一个器件温度的有效手段。这个例子以 IC 封装为例，电阻器等被动元件也有同样的效果。

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考虑耐高温的被动元件

众所周知，电解电容器的温度越高，电解液就越容易蒸发，寿命也就越短，为了延长耐高温元器件的寿命，就需要降低过高的温度。被动元件从热源接受的路径有热传导、对流(热传递)、热辐射三种。对流(热传递)是通过换气降低箱体内温度。热辐射要远离热源，或者用遮热板做好防热措施。因为热传导主要是经由铜布线传热的，所以要远离热源，或者采取措施使铜布线的宽度降到最低。

作为例子，在 Figure23 中示出 LDO 的电路，为了获得电气特性，有时必须在热源装置附近配置电解电容器。在 3 引脚 LDO 中，像 TO252 封装那样同时使用散热用 FIN 和接地引脚配置很多，在器件附近配置电解电容器 C1、C2 的话就会变成像 Figure 24 一样的 Layout 因为共用放热区域的铜箔和地布线 Figure 25 那样从放热 FIN 的热通过宽的铜箔向电容器传导。电容器引脚部的温度是 57°C。

作为对策，热源和电容器之间的距离是相同的，像 Figure 26 那样，把布线宽度设定为电流容量能容许的最小尺寸，使热传导最小，然后在那里配置电容器。Figure 27 是结果，电容器引脚的温度降到 44°C。

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这是因为与铜箔相比，基板(FR4)的热阻高，在相同的距离下也很难导热。综上所述，如果只着眼于电气特性进行 Layout，可能会产生热的问题，因此需要考虑热源器件和耐高温器件之间的位置关系。AC- DC 转换器等，用电解电容器平滑 AC 的纹波电压，不过，由于大的纹波电流和电容器的内阻产生损耗功率，电容器自发热。这种情况与前面提到的 Layout 相反，要加大布线面积，将热量传导到布线上。

铜箔布线的温度上升

在大电流流过的导体(铜箔布线)中，最小宽度和厚度必须根据所需的电流容量和最大允许导体温度上升来决定。如果不注意这个，就会引起因温度上升引起的 PCB 的劣化和周围温度的上升。最小导体宽度和厚度请参考下面的图表。这些图表是根据《IPC2221A, Generic Standard on Printed Board Design》中登载的近似公式和图表，将单位换算成米制的。

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