整個(gè)電力電子行業(yè)，包括射頻應(yīng)用和涉及高速信號(hào)的系統(tǒng)，都在朝著在越來(lái)越小的空間內(nèi)提供越來(lái)越復(fù)雜的功能的解決方案發(fā)展。設(shè)計(jì)人員在滿足系統(tǒng)尺寸、重量和功率等要求方面面臨著越來(lái)越苛刻的挑戰(zhàn)，其中包括有效的散熱管理，這又從PCB的設(shè)計(jì)開(kāi)始。

高集成度的有源功率器件(例如MOSFET晶體管)會(huì)散發(fā)大量熱量，因此要求PCB能夠?qū)崃繌淖顭岬脑骷鬟f到地層或散熱表面，從而盡可能高效地運(yùn)行。熱應(yīng)力是功率器件故障的主要原因之一，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致性能下降，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)失靈或故障。器件功率密度的快速增長(zhǎng)和頻率的不斷提高，是造成電子元器件過(guò)熱的主要原因。雖然寬禁帶材料等具有更低功率損耗和更好導(dǎo)熱性的半導(dǎo)體受到了越來(lái)越廣泛的使用，但其本身并不足以消除對(duì)有效散熱管理的需求。

目前硅基功率器件可實(shí)現(xiàn)的結(jié)溫在大約125℃和200℃之間。但是，最好始終讓器件工作不超過(guò)此極限條件，從而避免器件快速老化并縮短其剩余壽命。事實(shí)上，據(jù)估計(jì)，如果散熱管理不當(dāng)導(dǎo)致工作溫度升高20℃，則由此導(dǎo)致的元器件剩余壽命減少將多達(dá)50%。

布局布線(layout)方法

許多項(xiàng)目中普遍采用的散熱管理方法是使用具有標(biāo)準(zhǔn)阻燃等級(jí)4級(jí)(FR-4)的基板，這是一種廉價(jià)且易于加工的材料，專(zhuān)注于電路layout的散熱優(yōu)化。

主要采用的措施涉及提供額外的銅表面、使用更厚的走線，以及在產(chǎn)生最大熱量的元器件下方插入散熱孔。一種能散發(fā)更多熱量的更激進(jìn)的技術(shù)，包括把真正的銅塊插入到PCB或施加到最外層，這種銅塊通常呈硬幣形狀，因此得名“銅幣”。在將銅幣單獨(dú)加工后，可將其焊接或直接貼附在PCB上，也可以將其插入內(nèi)層，通過(guò)散熱孔與外層連接。圖1所示的PCB中制作了一個(gè)特殊的空腔來(lái)容納一枚銅幣。

銅的導(dǎo)熱系數(shù)為380W/mK，而鋁為225W/mK，F(xiàn)R-4為0.3W/mK。銅是一種相對(duì)便宜的金屬，已廣泛用于PCB制造；因此，它是制作銅幣、散熱孔和地層的理想選擇——所有這些解決方案都能夠改善散熱。

電路板上有源器件的正確放置，是防止形成熱點(diǎn)的關(guān)鍵因素，從而就可確保熱量盡可能均勻地分布在整個(gè)電路板上。在這方面，應(yīng)該將有源器件不按特定順序分布在PCB周?chē)瑥亩苊庠谔囟▍^(qū)域形成熱點(diǎn)。但是，最好避免將產(chǎn)生大量熱量的有源器件放置在電路板邊緣附近。相反，應(yīng)盡可能將它們靠近電路板的中心放置，從而有利于均勻的熱量分布。如果將大功率器件安裝在電路板邊緣附近，則會(huì)在邊緣積聚熱量，從而增加局部溫度。另一方面，如果將其放置在電路板中心附近，則熱量將會(huì)沿表面向各個(gè)方向散發(fā)，從而使溫度更容易降低，使熱量更容易散發(fā)。不應(yīng)將功率器件靠近敏感元器件放置，彼此之間應(yīng)適當(dāng)間隔。

可通過(guò)采用有源冷卻和無(wú)源冷卻系統(tǒng)(例如散熱器或風(fēng)扇)進(jìn)一步改進(jìn)在layout級(jí)別所采取的措施——這類(lèi)系統(tǒng)可以將有源器件中的熱量除去，而不是直接將其散發(fā)到電路板中。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)特定應(yīng)用的要求和可用預(yù)算，在不同的散熱管理策略之間找到合適的折衷方案。