进阶#热设计#热阻#结温#铜箔散热#散热器#散热过孔

热设计：散热、铜箔与散热器 Thermal Design

半导体结温每升高 10℃，可靠性大约减半。一颗芯片如果在板子上没散热，结温冲到 125℃ 以上，轻则降额保护、缩短寿命，重则当场烧穿。热设计就是给功耗找一条到环境的低阻散热路。

1. 设计动机

芯片数据手册给了功耗 P，但"能不能用"取决于它会不会过热。同样 1W 功耗，焊在大面积铜箔上温升降很多，焊在小块铜箔上可能就到 110℃。热设计就是把这条散热路算清楚、做出来。

2. 图示：热阻链路

3. 机理与定量

热像电：温度差像电压、热流像电流、热阻像电阻。结到环境的温升：

T_j = T_a + P \cdot \theta_{JA}

总热阻串联：

\theta_{JA} = \theta_{JC} + \theta_{JB} + \theta_{BA}

$T_j$ ：结温（芯片内部，必须 < 数据手册上限，通常 125~150℃）
$T_a$ ：环境温度
$P$ ：功耗（W）
$\theta_{JA}$ ：结到环境总热阻（℃/W）
$\theta_{JC}$ ：结到壳（封装本身，数据手册给）
$\theta_{JB}$ ：结到板（经引脚/EP）
$\theta_{BA}$ ：板到环境（靠铜箔+散热器，设计主要优化这里）

4. 完整设计示例

需求：LDO 耗散 P=(12V−5V)×0.5A=3.5W，环境 40℃。
查热阻：封装 θJA（无散热）=60℃/W。
算结温：Tj=40+3.5×60=250℃ → 远超 125℃，不行。
加散热：铺铜 + 散热过孔，把 θJA 降到 25℃/W。
复算：Tj=40+3.5×25=127.5℃ → 临界。
再优化：加小散热器，θJA 降到 15℃/W → Tj=40+52.5=92.5℃，留有余量，OK。

5. 设计准则

先算 Tj：P × θJA + Ta < 上限，留 20~30℃ 降额。
功率器件下方铺大铜箔：铜箔是免费散热器。
裸露焊盘打散热过孔：导到内层/底层铜。
必要时加散热器/风扇：自然对流不够就强迫风冷。
热敏元件远离热源：电解电容最怕热。

6. 检查与仿真

热像仪：上电后看板子热点，验证估算。
θJA 估算：onsemi AND9596-D 方法、Saturn PCB 铜箔计算器。
热仿真：大功率板用 FEA 工具。

扩展与变种电路

扩展1：裸露焊盘与散热过孔阵列

现代功率 IC 带裸露焊盘（Exposed Pad, EP），直接焊到 PCB 散热铜箔。

EP 直接把芯片背面的热导到 PCB 铜箔，比从引脚导热效率高几倍。
散热过孔（thermal vias）阵列把热从顶层导到内层/底层大面积铜。
过孔内径约 0.3 mm，间距 1~1.5 mm 阵列。
注意：过孔在焊接区会吸锡（solder wicking），要阻焊定义或塞孔。

准则对比：

散热方式	θJA
引脚导热	高（差）
EP + 铜箔 + 过孔	低数倍

现象：EP 焊接后空洞大、虚焊。
原因：过孔把锡膏吸到内层。
解决：过孔阻焊定义（mask-defined）或填孔塞树脂。

扩展2：散热器与热界面材料

铜箔还不够时，加散热器。

热阻链多了两段：硅脂 $\theta_{tim}$ + 散热器 $\theta_{hs}$ 。
散热器把 $\theta_{BA}$ 从几十℃/W 降到几℃/W。
硅脂作用：填芯片与散热器之间的微观空气隙（空气隔热）。要薄而均匀。
强迫风冷（风扇）可再降数倍。

准则对比：

散热方式	典型 θBA
自然对流铜箔	30~60 ℃/W
散热器自然对流	5~15 ℃/W
散热器 + 风扇	1~3 ℃/W

现象：加了散热器温降不明显。
原因：硅脂涂太厚，本身成了热阻层。
解决：薄薄一层、压紧，刚好填满微观空隙即可。

7. 常见坑与故障现象

只看功耗不算结温：3.5W LDO 直接上板，烧了才知道过热。先算 Tj。
EP 没打散热过孔：浪费了裸露焊盘的散热能力。
热敏电容贴在功率器件旁边：电解电容离热源近，寿命骤降。
散热过孔吸锡：EP 焊接虚焊，见扩展1。

8. 自测题

Tj = Ta + P × θJA 中，设计主要优化哪一段热阻？为什么？

主要优化 $\theta_{BA}$ （板到环境）。 $\theta_{JC}$ 是封装固定的、 $\theta_{JB}$ 由引脚决定，而 $\theta_{BA}$ 靠铜箔、散热过孔、散热器可调空间最大——这正是 PCB 热设计的着力点。

一颗 IC 耗散 2W，θJA=50℃/W，环境 40℃，结温多少？上限 125℃ 够吗？

Tj = 40 + 2×50 = 140℃，超过 125℃ 上限，不够。需要增大铜箔/加散热器把 θJA 降到 (125−40)/2 = 42.5℃/W 以下，并留余量。

为什么裸露焊盘(EP)下方要打散热过孔？又为什么要防吸锡？

过孔把 EP 的热导到内层/底层大面积铜，散热更好。但过孔是通孔，焊接时锡膏会被毛细作用吸到内层（吸锡），导致 EP 虚焊空洞。所以过孔要阻焊定义或塞孔。

9. 参考资料

onsemi AND9596/D A Quick PCB Thermal Calculation for Power Electronic Devices with Exposed Pad
Saturn PCB Design Toolkit（铜箔散热估算）
Henry W. Ott, Electromagnetic Compatibility Engineering

热设计：散热、铜箔与散热器 Thermal Design ​

1. 设计动机 ​

2. 图示：热阻链路 ​

3. 机理与定量 ​

4. 完整设计示例 ​

5. 设计准则 ​

6. 检查与仿真 ​

扩展与变种电路 ​

扩展1：裸露焊盘与散热过孔阵列 ​

扩展2：散热器与热界面材料 ​

7. 常见坑与故障现象 ​

8. 自测题 ​

9. 参考资料 ​