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SMT 印制电路板热设计探讨
一，概述
随着微电子技术的发展，表面贴装器件应用也已经很普遍，SMT 的技术已也相½成熟。目前高密度表面贴装器件的
引脚间距一般小于 0.5mm，
印制板的布线密度亦越来越密，
一般线径为 0.1-0.3mm，
间距为 0.2-0.3mm，
将向 0.05-0.1mm
线径和 0.1mm 间距发展；多层板也将向 20 层以上发展。印制电路板的组装密度的提高，必然增加了单½面积的耗散功
率的增加，½成了印制板的热量的高度集中。个别器件和元器件的温度增加，将½响电路工½的稳定性和可靠性，其
主要危害表现为：
1）电子元器件在一定温度范围的交变达到一定的热应力循环次数后，元器件也会因热疲劳而失效。
2）温度的变化会引起电子器件的工½性½的改变。如晶½管的电流放大倍数的随温度的变化，将引起工½点的漂移，
引起系统工½的不稳定，降½器件的寿½和可靠性。
3）组件的温度值过高，将造成印制板基板的电性½和机械性½恶化，严重时引起印制板发黑甚至烧穿。如，环氧玻璃
纤维的玻璃½化温度为 1250C，热膨胀系数（CTE）为 13-18ppm/0C;FR-6 环氧玻璃纤维印制板的最高连续温度规定为
1050C.
4）温度的升高½印制板或组件的吸湿，吸尘½力加强，电化学反应的速度加快，印制板防腐蚀、抗静电½力降½等。
因此，电子设备的热设计是工程设计人员值得研究的一门重要学科内容，热设计的研究成果已广泛的运用到电子产
品中。本文仅针对 SMT 印制板的设计中一些具½热设计措½和方法进行探讨和½纳，供工程设计人员参考。
二，SMT 印制板热设计
1．SMT 印制板基材的选择
SMT 印制电路板的基材选择取决于对基材的要求，一般情况下应分析的参数包括：热膨胀系数、玻璃½变温度、热
导性、拉升模量、抗弯强度、介电常数、½电阻、表面电阻、吸½性以及成本核算、电性½要求以及布线密度等。综
合这些内容后，选择一种性价比合理的印制板基材。下表 1 给出了目前常用的 PCB 基材的类型和连续工½状态下的最
高温度值：
表 1：PCB 基材类型和最高连续温度
PCB 基板类型
XXXP XXXPC G-10 G-11 FR-2
FR-3 FR-4 FR-5
FR-6
聚酸亚胺 GT
GX
最高连续温度（°C） 125
125
130
170
105
105
130
170*
105
260
220 220
*170°C 下电性½下降，180°C 时机械性½下降。
应该引起注意的是，表中所列出的基材的连续高温仅是我们考虑选择印制板基材的基础，实际情况是加工½的印制
板的热性½可½会有很大的差别。印制板的设计（例如印制板尺寸、金属量的多少和分布、层数等）对印制板的热性
½均有很大的½响。因此，重视印制板的设计对热性½的改善取到了至关重要的½用。
2，引起 SMT 印制板温升的原因浅析
引起印制板温升的直接原因是由于电路功耗器件的存在，
任½电子器件均不同程度的存在功耗，
因功耗的大小不同，
发热强度不同。印制板中温升的二种现象：1）局部温升或大面积温升，2）短时温升或长时间温升。
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在分析 PCB 热功耗时，一般可以从以下几个方面来分析：
A,电气上功耗分析：1）分析单½面积上的功耗；2）分析 PCB 板上功耗的分布。
B,印制板的结构上分析：1）印制板的尺寸；2）印制板的材料。
C,印制板的安装方式：1）安装方式（如垂直安装，水平安装）
；2）密封情况和离机壳的距离。
D,热辐射：1）印制板表面的辐射系数；2）印制板与相邻表面之间的温差和他们的绝对温度；
E,热传导：1)安装散热器；2）其他安装结构件的传导。
F,热对流：1）自然对流；2）强迫冷却对流。
从 PCB 上述各因素的分析是解决 SMT 印制板的温升的有效途径，往往在一个产品和系统中这些因素是互相关联和依
赖的，大多数因素应根据实际情况来分析，只有针对某一具½实际情况才½比较正确地计算或估算出温升和功耗等参
数。限于专业和篇幅问题，下面仅对 SMT 印制板设计时的热设计布局进行阐述。
三，SMT 印制板的热设计基本原则和计算方法
在分析电路和其它热因素的情况下，考虑 SMT 印制板布线时，应遵循的基本原则是：
1，避免 PCB 上的热点的集中，½可½地将功率均匀地分布在 PCB 板上，保持 PCB 表面温度性½的均匀和一致。
往往设计过程中要达到严格的均匀分布是较为困难的，½一定要避免功率密度太高的区域，以免出现过热点½响整
个电路的正常工½。如果有条件的话，进行印制电路的热效½分析是很有必要的，如现在一些专业 PCB 设计½件中增
加的热效½指标分析½件模块，可以帮助设计人员优化电路设计。
2，将最高功耗和发热最大的器件布½在散热最½½½附近。
3，不要将发热较高的器件放½在印制板的角½和四周边缘，除非在它的附近安排有散热装½。
4，在设计功率电阻时½可½选择大一些的器件，且在调整印制板布局时½之有足够的散热空间。
5，高热耗散器件在与基板连接时应½½减少它们之间的热阻。
6，为了更½地满足热特性要求，在芯片底面可½用一些热导材料（如涂抹一层导热硅胶）
，并保持一定的接触区域供
器件散热。
7，器件与基板的连接：1）½量缩短器件引线长度；2）选择高功耗器件时，应考虑引线材料的导热性，如果可½的话，
½量选择引线横段面最大。3）选择管脚数较多的器件。
8，器件的封装选取：1）在考虑热设计时应注意器件的封装说明和它的热传导率。2）应考虑在基板与器件封装之间提
供一个良½的热传导路径。3）在热传导路径上应避免有空气隔断，如果有这种情况可采用导热材料进行填充。
PCB 设计人员在分析热性½指标时，对器件的温升可利用热阻和功耗来进行简单计算，公式为：T=R*P
R=器件与印制板件热阻总和（0C/W）;P=器件的功耗值（W）,T=器件的温升值（0C）.
如下图 1 示例，热阻总和计算为 RT=R1+R2+R3+R4+R5,其中 RT 为从器件上部至 PCB 底部的热阻总和。
图 1：热阻的等效计算图例
每一种特定材料的热阻计算公式为：R=L/KA,L=材料层的厚度（mm）
，K=材料的导热系数（W/0C-mm）,A=材料层的截
面积（mm2）
。
下表 2 给出了常用的几种材料的导热系数：
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表 2：典型合成材料导热系数
材料
硅
Kovar
钼
AL2O3
Conductive Epoxy
1.02
导热系数（W/°C/mm） 58.4
9.1
99.1
17.5
Epoxy Perform
0.25
四，SMT 印制板热设计探讨
在实际 SMT 印制板的设计中一般分为二个阶段：总½设计和线路设计。总½设计过程中应确定关键器件和基板材料
的选择，PCB 板线路密度要求以及系统指标的确定等。线路详细设计阶段是根据整½要求进行 PCB 的布局与布线工½。
在器件的布局和布线工½中应重点注意的几个问题：
1，功耗大的器件的选择。在需要½用大功耗的器件时，首先应明确该器件是否为最½选择，封装½式，引脚的多少，
引脚截面等参数是否合理。
2，印制板材料和层数的选择。确定器件最高连续工½温度和环境温度等条件，选择适合的印制板基材。½用多层板时，
其中的地线层既可以取到屏½½用也可充½热抟导材料散热。
3，散热通孔的设½。设计一些散热通孔和盲孔，可以有效地提高散热面积和减少热阻，提高电路板的功率密度。如在
LCCC 器件的焊盘上设立导通孔。在电路生产过程中焊锡将其填充，½导热½力提高，电路工½时产生的热量½通过通
孔或盲孔迅速地传至金属散热层或背面设½的铜泊散发掉，如下图 3 所示。在一些特定情况下，专门设计和采用了有
散热层的电路板，散热材料一般为铜/钼等材料，如一些模块电源上采用的印制板。
图 3，散热通孔的布½
4，导热材料的½用；为了减少热传导过程的热阻，在高功耗器件与基材的接触面上½用导热材料（如表 3＜表 3 见下
面＞导热硅脂，导热胶的技术参数）
，提高热传导效率。如下图 4（图 4 见面）给出了晶½管与基板的连接图示例。
5，工艺方法：对一些双面装有器件的区域容易引起局部高温，为了改善散热条件，可以在焊膏中掺入少量的细小铜料，
再流焊后在器件下方焊点就有一定的高度。½器件与印制板间的间隙增加，增加了对流散热。
6，散热装½的½用；一些高功耗器件发热量大，可采用安装散热器（或散热片）
，加大散热面（如图 5 所示）
。应注意
的是散热器的安装方向和空气的流向。散热器种类很多，½用和设计时可查阅相关手册。
7，线路布线的规定：印制电路的基板广泛采用由以玻璃纤维为基材的环氧树脂层合板，或以纸为基材的酚醛树脂层合
板。导电材料一般为铜箔。印制板上的发热元件产生的部分热量，通过导线传到印制电路的基板上。由于基板导线系
数远小于铜箔，因此热量几乎½集中在铜箔上，从而引起电路导线的温升。为此在设计印制板时应根据电路板电流大
小和允许的温升，来选择印制导线的½度。下图 6（图 6 见下面）提供了选取印制导线½度的曲线。
表 3：常用导热脂，胶的技术参数
导热系数（w/(m.0C) ½用温度 0C
绝缘电阻（Ω。Cm）
击穿强度（Kv/mm）
SZ 中温高效导热脂
-60-150
＞1.0*1013
＞6
GB-51 导热硅脂
＞0.7
-50-200
≥1.0*1014
＞5
GWC 导热胶
≥0.5
-45-130
≥5.0*1018
≥4.3
L-Ⅱ导热绝缘胶
1.1635
-55-130
≥1.0*1014
＞25
五结束语
随着印制电路的布线密度和 SMD 器件的集成度不断提高，印制电路的热设计也越来越引起人们的注意和重视，该
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文章的内容仅阐述了一些基本的热设计思想，只要我们不断对热设计的范畴和理论进行研究和科学地运用到 SMT 印制
电路的设计中，印制板的设计质量和可靠性就一定½提高。
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