上期回顧：電源界的“動車組列車”——多相電源

本期內容

電源芯片溫升過高是讓很多工程師朋友們頭痛的問題，其中 PCB 散熱優化是降低芯片溫升的一個重要方式，今天我們來給大家分享：PCB 散熱處理！

“能量既不會憑空產生，也不會憑空消失”這就是大名鼎鼎的能量守恒定律，熱量也是如此。

芯片的溫度是熱量的一種表現形式。如果在特定狹窄空間內集中，溫度就會升高；如果在大范圍內分散，溫度就會降低。

所以優化 PCB 散熱，要先清楚兩點：

1.熱量在哪里產生？

2.熱量通過什么途徑發散出去？

芯片熱量的產生主要是在內部晶圓上，其熱量的傳導主要有兩種途徑：

第一種是晶圓->樹脂封裝->通過空氣對流的形式發散到空氣中：

圖 1：第一種熱傳導途徑

第二種是晶圓->金屬引腳或導熱塊->PCB 板->發散到空氣中：

圖 2：第二種熱傳導途徑

在 IC 內部，由于金屬的導熱率遠大于樹脂封裝導熱率，所以大部分熱量是通過金屬引腳或導熱塊轉移到封裝外。

優化 PCB layout 散熱，我們可以采取以下方式：

1. PCB 布局之初避免多個發熱源（例如多個電源芯片、功率 MOS、功耗大的 MCU 等）集中在整個 PCB 板的局部，這樣難免導致熱量的局部疊加。應當發熱源之間留有一定空間，使得 PCB 整板散熱更均勻。

2. 畫器件封裝引腳焊盤時，應遵循推薦焊盤設計規則，比芯片引腳面積多留出一些。

這是因為如果封裝引腳焊盤面積小，上錫焊接過后，焊錫與引腳、PCB 板的接觸面積都小，導熱效果不佳，且容易虛焊。如果封裝引腳焊盤適當面積留大，上錫焊接過后，焊錫與引腳、與 PCB 板有更大的接觸面積，導熱效果更好。

圖 3：增大封裝引腳焊盤面積，優化導熱效果

3. 為了增加 PCB 散熱，可以增大電源線以及地線的鋪銅面積，通過更大的鋪銅面積來快速傳遞熱量，如圖所示：

圖 4：增大電源線和地線鋪銅面積

4. 如果 PCB 工藝可選，增加銅厚可以擁有更大橫截面積，增強 PCB 走線導熱能力。

5. PCB 板不同層使用的銅厚不同，導熱能力也不同。

對于多層板，一般工藝中頂層、底層一般為 1oz（盎司）銅厚，中間層為 0.5oz 銅厚, 所以頂層與底層鋪銅的導熱能力要高于中間層。并且由于頂層、底層銅箔更接近空氣，更容易把熱量發散出去。

如果中間層作為大面積鋪銅，熱量的傳遞需要先經過中間銅箔，再經由絕緣隔離層以及頂層、底層銅箔才能散發到空氣中，熱量自然不容易分散，導致芯片溫度過高。所以地線鋪銅策略很重要。

圖 5：頂層、底層的大面積鋪銅更有助于散熱

6. 增加熱過孔，一般而言熱過孔數量越多導熱效果越好，熱過孔直徑越大導熱效果越好。所以合理范圍內適當增加熱過孔的數目與直徑，有助于熱量的傳導。

熱過孔一般均勻放置在導熱塊焊盤或者芯片正下方或者功率引腳的附近，可以更快的把熱量傳導到底層大面積銅箔，使得 PCB 散熱更加均勻。

圖 6：增加熱過孔

7. 在保證產品絕緣性可靠的前提下，可以在 IC 正下方底層或熱過孔位置的底層禁鋪阻焊油，通過裸銅的形式減小銅皮與空氣之間的熱阻，達到更好的散熱效果。

下面來看一個對比實例。

DCDC 電源芯片 MPQ8633B，使用 4 層 PCB 板，器件位置保持一致的情況下，改善 PCB layout 設計：

增大引腳接觸面，功率走線鋪銅增大，由中間層鋪設大地改為頂層與底層鋪設大地，增加導熱孔數量與直徑，并在底部裸銅。

兩款 PCB layout 在相同環溫 25℃ 條件下，帶同樣滿負載 10 分鐘后測試 IC 表面溫度分別為 101℃ 和 74℃。

圖 7：MPQ8633B 對比實例圖

讓我們總結一下PCB散熱處理技巧：

1. 發熱源之間留出散熱間隔，避免集中擺放；

2. 引腳焊盤應比引腳面積略大，保證著錫導熱面積；

3. 優先選用頂層與底層作為功率走線或地線層，并增大鋪銅面積來輔助散熱；

4. 如果工藝可選，可以增大銅厚；

5. 添加熱過孔，利用PCB底層大地散熱，必要的情況可以增加裸銅。

今天的 PCB 散熱處理分享就到這里，請大家關注 MPS 公眾號，更多技術內容持續為您更新~