在电子设计中，PCB（印刷电路板）与芯片散热紧密相关，有效的散热方案需要协同优化两者。以下是关键点：

一、 芯片级散热基础

1. 热源：芯片工作功耗（尤其是CPU/GPU/功率器件）转化为热量，通过封装向PCB传递。
2. 热路径：芯片 → 焊球/BGA → PCB铜层 → 散热环境。

二、 PCB散热核心设计策略

1. 导热过孔阵列（Thermal Vias）

   • 作用：在芯片接地焊盘（Thermal Pad）下方密集打孔，连接表层与内层铜平面。
   • 设计要点：
     • 孔径：0.2-0.3mm（激光钻孔），避免过大影响结构强度。
     • 填充：环氧树脂+铜浆填充（提升导热率>80 W/mK）。
     • 布局：覆盖热源区域80%以上，间距1-1.5倍孔径。

2. 铜平面设计

   • 内层铺铜：在芯片下方设置连续电源/接地层（建议2oz铜厚）。
   • 散热焊盘（Solder Pad）：增大底层铜箔面积，外露铜皮+涂覆散热锡膏。

3. 堆叠优化

   • 高功率芯片优先贴近PCB散热层（如TOP层下即GND层）。
   • 示例堆叠：顶层（芯片）→ 20μm PP → L2-GND（2oz铜）→ 芯板。

三、 增强散热的PCB工艺

四、 协同散热方案

1. 芯片封装配合

   • 选用暴露金属盖（Exposed Die Pad）封装。
   • 添加导热垫片（Gap Pad）连接芯片顶盖与外部散热器。

2. 散热结构组合

   graph LR
   A[芯片] --> B[PCB导热过孔+铜层]
   B --> C[外贴散热器]
   A --> D[金属顶盖]
   D --> E[热管/均温板]
   E --> F[鳍片+风扇]

   • 高功率场景需PCB导热与外部强制散热并用。

五、 热仿真验证

• 必备工具：ANSYS Icepak、Flotherm
• 关键参数：
  • Ψ_jt（结到壳热阻）：芯片自身参数
  • Ψ_jb（结到板热阻）：依赖PCB设计
  • 目标：Ψ_jb < 15°C/W（消费电子），<5°C/W（工业级）

六、 实战案例

• 问题：某FPGA芯片结温达110°C（限值125°C）
• 优化步骤：
  1. 增加Thermal Vias密度（0.25mm孔径，1mm间距）
  2. 底层外露铜皮面积扩大至芯片投影2倍
  3. 添加25×25mm铝散热片+导热胶粘接
• 结果：结温降至98°C，余量提升＞20%

关键陷阱规避：避免过孔未填导致焊料渗透（Solder Wicking），需明确要求"过孔填实+电镀封闭"工艺。

结论：芯片散热本质是系统工程，需同步优化封装选型、PCB热设计与外部散热方案。优先确保热通道低阻（导热过孔+厚铜），再逐级扩展散热面积（铜层→散热器），最终通过热仿真闭环验证。