高性能的PCB佈局與散熱技術

現代電子產品常使用高功率的電子零件，隨著高功率元件越來越小的趨勢，高功率元件產生的熱量更不易排出，因此電路溫度會迅速上升，如果不及時將熱量散發出去，電子元件可能因為過熱而損壞。因此，解決散熱問題是設計電路板時相當重要的環節。本文介紹幾種能提升散熱能力的電路板佈局重點，並量測電源轉換器置於不同電路板佈局的溫度表現，觀察不同佈局對散熱效果的影響。

 

1. 電路板熱設計分析

電路板發熱的主要來源為元件的功率損耗，而發熱量多寡與功耗大小成正比。由以下面向分析印刷電路板的熱功耗，透過這些面向，採取相對應的措施，進而達到提高散熱能力的目的。

• 熱點分析

 

為印刷電路板上特別高溫的位置，通常是高功率元件密集處、困難散熱處、大電流流經處。在電路板設計階段可以藉由熱模型（Thermal Model）、熱動態模型（Thermal Dynamic Model）模擬評估發生熱點的區域，透過調整元件佈局或選擇適合的元件來降低熱點溫度。

• 線路佈局

大電流是導致印刷電路板發熱的主因之一，規劃高功率元件位置與銅箔線路，使熱能平均分布於印刷電路版上，同時也要注意大電流的線路佈局應避開熱敏感元件。

• 溫度分布情形

在實際應用上可以使用熱顯像儀或是熱電偶線觀察電路板整體的溫度分布，並與模擬的熱點分析做比較，針對高發熱元件採取對應的解決方案。本文實驗將使用熱顯像儀觀察電路板上的溫度差異。

 

2. 減少電路板發熱的方法

分析印刷電路板發熱的主要原因後，可以使用以下幾種方式提高散熱能力，進而增加產品的轉換效率。

• 增加面積

印刷電路板的底板大都使用覆銅箔環氧玻璃布基材或酚醛樹脂玻璃布基材，此材質散熱效果差，因此只有少部分熱能從元件表面向周圍散熱，若要提高電路板散熱性能，常見的做法有增加覆銅與增加電路板尺寸兩種方式，但此方式須注意電磁干擾問題。

• 配置外部設備

如電源轉換器、高功率電晶體、CPU等等會產生高發熱量的元件，可以透過加裝散熱片增加散熱面積或是風扇增強空氣流通，除此之外，可以使用導熱墊片填補散熱片與鋁基板之間接觸面的間隙，目的是減少熱源表面與散熱器之間的接觸熱阻。

• 元件佈局

 

依元件的發熱量大小與散熱程度分區排列，低發熱量元件如電容器、小規模積體電路，應置於冷卻氣流最上游，而高發熱量、耐熱性佳的元件如功率電晶體和變壓器，應置於冷卻氣流最下游以免高溫損害其他元件。另外，高發熱量元件應盡可能地將其放置於電路板中心或安裝散熱裝置，以免產生的局部高溫影響電子產品性能。

 

• 散熱通孔

結構上是在印刷電路板上增加金屬通孔，增加熱傳導路徑，其目的是降低熱阻。以單層雙面印刷電路板而言，金屬通孔能將表面和背面的銅箔連接，將電路板正面元件的熱能傳導至背面，如圖2所示。散熱效果取決於銅箔面積、厚度及電路板的厚度、材質，而使用上盡可能貼近發熱元件以達最佳效果。

• 走線佈局設計

 

調整線路佈局可以加強散熱效果，透過加大高溫元件的線路寬度、減少線路長度與避免直角走線，均可以降低雜訊干擾與減少阻抗，進而提升散熱能力。

 

3. 實際量測

• 實驗一：外殼是否固定之散熱比較

實驗一將使用降壓型直流轉直流轉換器，比較轉換器外殼固定與否，在風洞測試時的溫度差異，實驗規格如下。

表 1 實驗一規格表

Input Voltage	48 V
Input Current	3.125A
Output Voltage	12 V
Output Current	12.5 A
Output Power	150 W(100% Load)
Input capacitor	200uF
Wind Velocity	100 LFM

實驗所採用的電源轉換器為額定功率150W的降壓型直流轉直流轉換器，輸入為48伏特，輸出12伏特。圖4為鋁基外殼透過螺絲緊貼在電路板上的熱顯像儀拍攝照片，可以發現轉換器的熱能透過下方的電路板覆銅傳導，均勻的分佈在覆銅範圍內，可見加大電路板與覆銅面積可有效提升散熱效果；轉換器輸入和輸出端的接腳處有較高的溫度表現，這是因為大電流在流經接腳時將產生大量熱能而輸出端電流較輸入端大，所以溫度表現也較為明顯。量測到的印刷電路板溫度為103度、轉換器外殼最高溫為111度。

圖5為鋁基外殼未固定在電路板上的熱顯像儀拍攝照片，與圖4相比可以發現接近鋁基外殼處的溫度較高，這是因為外殼未緊貼電路板，熱能僅能以輻射發散，無法透過接觸傳導至印刷電路板，因此，焊接在印刷電路板上的接腳便成為熱能傳遞的主要通道， 由圖5得到印刷電路板的輸入與輸出端高溫範圍比圖4還要廣。量測到的印刷電路板板溫度為111度、轉換器外殼最高溫為118度。

• 實驗二：不同大小電路板之散熱比較

轉換器外殼均以螺絲固定於電路板上，將風速改為20LFM，較小的風量可以更明顯的比較兩塊電路板的散熱差異，實驗規格如表 2所示。

表2 不同電路板實驗之規格表

Input Voltage	48 V
Input Current	2.813A
Output Voltage	12 V
Output Current	11.25 A
Output Power	135 W(90% Load)
Input capacitor	200uF
Wind Speed	20 LFM

圖 6為小面積的印刷電路板於90%負載時的熱顯像儀拍攝照片，可以從圖中發現印刷電路板散熱面積過小，沒辦法立刻將轉換器熱能散出，因此整體溫度會不斷上升

，由實驗結果得到90%負載時轉換器外殼為117度，轉換器邊緣也有109度，可見小的電路板散熱能力有所侷限。

圖 7

為面積加大3倍後的印刷電路板於90%負載時的熱顯像儀拍攝照片，由於其覆銅面積較 圖 6 的電路板廣，且布置大量散熱通孔，因此溫度表現較佳。從 圖 7 可以發現，轉換器外殼最高溫為111度，邊緣溫度則為107度。可見透過增加覆銅面積、增加散熱通孔等方式可以提升電路板的散熱能力。

 

結論

隨著表面黏著技術發展，如何解決高功率密度帶來的散熱問題是設計電子產品時要考慮的關鍵因素。良好的散熱佈局在降低溫度的同時，也能提升效率，進而延長轉換器的使用壽命。從實驗結果可得知，熱能會透過金屬散熱通孔更有效地散熱到印刷電路板的四周，因此提高散熱能與整體轉換效率。

 

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