PCB 散熱設計完整指南：導熱過孔、厚銅、MCPCB 與接面溫度

PCB 散熱設計可能就是一片電源板能穩定運作十年，還是八個月後就從客戶現場退回來的差別。穩壓器、LED 或馬達驅動器所消耗的每一瓦功率，最終都必須透過銅箔、PCB 基材與空氣真正排出系統。

如果熱傳導路徑設計錯誤，一開始往往不會立即出現明顯問題。電解電容會逐漸乾涸、焊點產生裂紋，最後 PCB 可能以間歇性故障的形式退回，而且在工作台上很難重現。本指南將介紹導熱過孔尺寸與數量、銅箔與基材選擇、完整的接面溫度計算範例、散熱器整合，以及導熱介面材料的選擇方式。

了解熱應力：為什麼高溫會破壞現代 PCB 的可靠度？

把一個熱鍋放在木製砧板上，整片砧板並不會很快變熱；但如果放在鋼製工作檯上，只需要幾秒鐘，熱量就會快速擴散到整片金屬。這裡的木製砧板就像標準 FR-4，而鋼製工作檯則可以想像成 PCB 上的銅。

FR-4 的導熱係數約為 0.3 W/mK，而銅約為 400 W/mK，因此銅在橫向傳遞熱量方面的能力，比 FR-4 高出 1,000 倍以上。可以把熱傳導想像成電流：瓦特就像安培、溫差就像電壓，而位於兩者之間的材料則像電阻。

緊湊型電路過熱的主要原因

PCB 上大部分熱量通常來自以下四種來源，其中第一種往往最容易造成問題。

• 線性穩壓器將電壓差轉化為熱：例如 AMS1117-3.3 將 5 V 降至 3.3 V、負載為 800 mA 時，會在 SOT-223 封裝內產生 1.36 W 熱量。其 Junction-to-Ambient 熱阻會依照連接的銅箔面積不同，約為 60 至 100 °C/W，因此接面溫度可能比環境溫度高約 82 至 136°C。
• MOSFET 與二極體切換損耗：這類損耗會隨切換頻率增加。同一顆元件工作在 500 kHz 時，產生的轉換損耗會明顯高於 100 kHz。
• 繞組與銅箔的歐姆損耗：發熱量與 I²R 成正比，因此電流增加一倍，發熱量就會增加至四倍。一條使用 1 oz 銅、寬度只有 0.5 mm（20 mil）的走線如果承載 3 A 電流，會產生相當明顯的熱量。
• 電感磁芯損耗與電解電容 ESR：這些元件本身可能沒有大型金屬散熱 Tab，因此產生的熱量缺少明確、低熱阻的散熱路徑。

PCB 上溫度最高的元件，不一定是產生最多熱量的元件；它可能只是擁有最差的散熱路徑。

工業應用中熱管理不良的代價

高溫通常不會在產品投入使用的第一天就直接摧毀 PCB，而是默默縮短電路板上所有元件的壽命。這類問題往往會先出現在保固與現場故障數據中，而不是實驗室工作台上。

原文以鋁電解電容為例：工作溫度每提高約 10°C，電容壽命大約會減少一半。一顆額定 105°C、2,000 小時的電容，在 85°C 時可能達到約 8,000 小時，而在 65°C 時可能達到約 32,000 小時。如果這顆電容只距離高溫 MOSFET 約 15 mm（0.6 in），這樣的溫度差異可能直接決定產品壽命是三年還是十年。

PCB 基材本身也會受到高溫影響：當溫度超過 Tg（約 130 至 180°C）後，FR-4 的 Z 軸熱膨脹係數可能從約 50–70 ppm/°C 增加至 250–350 ppm/°C，而 Via 孔壁中的銅仍只有約 17 ppm/°C。兩者膨脹差異會對鍍通孔孔壁產生明顯機械應力。

因此，High-Tg FR-4 在高溫設計中具有實際價值。原文所提供的經驗法則是：PCB 長期工作溫度應盡量維持在 Tg 以下約 20–30°C。

提升熱效率的實用 PCB 散熱方法

PCB 散熱真正可以控制的核心方向主要有三個，而且通常應依序處理。首先利用銅箔將熱量向水平方向擴散，再透過導熱過孔將熱量傳到 PCB 另一面；如果這些方法仍不足，才考慮更換基材。

建議先從成本最低的方法開始，因為 PCB 上原本就需要使用的銅箔，如果規劃得當，通常不需要額外增加太多成本。

使用導熱過孔與厚銅 PCB

導熱過孔（Thermal Via）是一種鍍銅孔，主要用途是將熱量從 PCB 頂層銅箔傳導至底層銅箔。原文指出，在 1.6 mm（63 mil）PCB 上，一個直徑 0.3 mm（12 mil）的單一 Via，依孔壁鍍銅厚度不同，其熱阻通常約為 150 至 200 °C/W。

因此，導熱過孔真正有意義的使用方式是大量並聯配置，其數學關係與並聯電阻相似：

1. 使用 0.3 mm（12 mil）鑽孔：更大的孔徑可能在回流焊過程中從焊墊吸走更多焊料，進而形成空洞。
2. 正確配置數量：4 個 Via 的整體熱阻約為 40 °C/W，改善仍較有限；16 個約可降至 10 °C/W，而 25 個則約為 7 °C/W。
3. 預算允許時考慮填孔：原文指出，銅填孔 Via 的導熱效果可能比普通空孔高約 6 至 8 倍；焊料填孔的導熱效果約為銅填孔的 70%，但成本相對較低。
4. 另一端必須真正連接大面積銅箔：如果導熱 Via 最後只連接到一塊孤立的 5 mm（0.2 in）小銅島，幾乎無法有效將熱量擴散出去。

1 oz 銅的厚度約為 35 µm（1.4 mil），2 oz 則約為 70 µm（2.8 mil）。改用 2 oz 銅，大致可以將 PCB 上相同銅箔熱傳路徑的熱阻降低約一半。

相關電流承載能力則受到 IPC-2152 等設計因素影響。原文所列範例中，在外層 1 oz 銅條件下，1 mm（39 mil）寬的走線，在允許溫升 10°C 時可承載約 2.3 A；改為 2 oz 銅後則約可承載 3.9 A。

最佳化元件配置與氣流路徑

元件配置在原理圖規劃階段調整幾乎不需要額外成本，但等到 PCB 已經完成佈線後才修改，代價就會高得多。以下四項原則可以涵蓋大部分散熱配置效益：

• 避免將高熱元件放在 PCB 邊角：位於 PCB 中央時，熱量可以朝四個方向透過銅箔擴散；放在角落時只剩兩個主要方向，因此相同元件在角落通常會更熱。
• 將不同熱源分開，除非它們共用同一個散熱器：兩顆各自耗散 2 W、彼此只有 5 mm（0.2 in）距離的元件，會共同加熱同一片銅箔區域，使溫升彼此疊加。
• 把溫度敏感元件放在氣流上游：電解電容、Crystal 以及 Precision Reference 等元件應放置在仍然能接觸到較冷空氣的位置。
• 不要在高熱元件的氣流前方放置高大元件：例如 10 mm（0.4 in）高的電解電容可能形成低流速死角，使風扇原本應提供的散熱效果大幅降低。

自然對流條件下的熱傳係數約為 5 至 10 W/m²K，而強制風冷約為 25 至 100 W/m²K。原文指出，當氣流速度達到約 1 m/s（約 200 LFM）時，散熱器的熱阻可能降低接近 50%。

整合鋁基板與金屬核心 PCB（MCPCB）

金屬核心 PCB（MCPCB）會以鋁板或銅板取代傳統玻璃纖維核心，再利用一層薄型電氣絕緣材料將電路銅層與金屬基板結合。真正決定垂直散熱性能的，往往不是金屬本身，而是中間的絕緣介電層。

金屬核心 PCB 之所以具有較低熱阻，不只是因為底部金屬導熱速度快，也因為中間絕緣層非常薄。其 Dielectric 厚度通常只有約 50–200 µm（2–8 mil），所以即使金屬板導熱係數高達 205 W/mK，整體 Stackup 的熱性能仍會受到約 1–4 W/mK 介電層限制。

即便如此，改善仍然非常明顯。原文指出，一片 1.6 mm（63 mil）的 FR-4 PCB，其板厚方向熱阻約為 22–25 °C/W，而鋁基板約只有 2–3 °C/W。

這也是許多 LED 驅動與高功率照明設計改用鋁基板的重要原因。不過，代價是此類鋁基板通常採用單層結構，不能像普通 FR-4 一樣將鍍通孔直接連接到金屬 Core，而且可選表面處理也可能受到製程限制。

如何進行準確的 PCB 熱分析與模擬

在真正花錢製作 PCB 之前，熱分析最重要的問題只有一個：晶片本身最後究竟會有多熱？

手工計算可以先判斷整個設計在物理上是否可行；之後再利用熱模擬與實際 PCB 樣品，確認模型與真實硬體是否一致。

估算接面溫度與熱阻

熱阻表示每傳遞一瓦功率，溫度會增加多少度。它的行為很像電阻：瓦特可以類比成電流、溫差可以類比成電壓，而 °C/W 就像歐姆。

例如讓 2 W 功率通過 10 °C/W 的熱阻，就會產生約 20°C 溫升，就像 2 A 電流流過 10 Ω 電阻會產生 20 V 壓降。

從晶片接面一路到環境空氣的熱傳路徑，可以視為數個串聯熱阻，因此可以相加：

接面溫度 = 環境溫度 + 功率 ×（接面至外殼熱阻 + 外殼至散熱器熱阻 + 散熱器至環境熱阻）

範例：一顆 TO-220 封裝的 LM2596T-5.0 Buck Regulator，將 12 V 轉換成 5 V、輸出 2 A。原文假設效率約 80%，因此功率損耗約為 2.5 W。依照其 Datasheet，Junction-to-Case 熱阻約為 2 °C/W，最大接面溫度為 150°C，而原文建議控制在 125°C 以下。

從結果可以看出，散熱器是整條熱阻鏈中的主導項目。總共 11.5 °C/W 中，有 8 °C/W 來自散熱器，因此這才是最值得投入最佳化工作的地方。

即使產品外殼內部環境溫度提高至 40°C，依照這項估算，接面溫度也只有約 69°C，仍明顯低於 125°C 的建議限制。

結合 FEA 模擬工具與實體原型驗證

手工計算無法完整處理 PCB 上複雜的二維與三維熱擴散，因此可以進一步使用 Ansys Icepak、SolidWorks Flow Simulation 或 Cadence Celsius 等模擬工具。

不過，有三種常見設定錯誤會讓模擬結果與實際量測結果產生明顯差異。

錯誤 1：完全相信 Datasheet 的 Junction-to-Ambient 數值。

這項熱阻是在 JEDEC 規定的標準測試 PCB 上量測，而且具有特定銅箔面積，並不等於您的實際 PCB。改善方式：優先使用封裝的 Junction-to-Case 熱阻，再依照實際 PCB、TIM 與散熱器建立剩餘熱阻路徑。

錯誤 2：只模擬裸板，不加入產品外殼。

開放式 PCB 放在靜止空氣中，是最簡單、通常也是最理想的散熱環境之一，但真正出貨的產品幾乎不會維持這種狀態。改善方式：把產品外殼加入模型，並將外殼內部空氣溫度作為 Ambient 條件。

錯誤 3：只輸入「60% 銅覆蓋率」這類平均值。

將整層 PCB 簡化成平均 60% Copper Fill，會掩蓋真正阻礙熱擴散的開口、分割與 Narrow Neck。改善方式：從 Gerber 資料匯入真正的 Copper Polygon。

另外，不要直接使用 IR Camera 量測裸銅並完全相信讀數。光亮銅表面的 Emissivity 可能只有約 0.03，因此量到的溫度會明顯偏低；綠色防焊表面的 Emissivity 則接近 0.9，通常比較符合實際溫度。若需要量測裸露金屬，可以在量測位置增加一小點消光黑漆，提高放射率一致性。

進階 PCB 熱設計與散熱器整合

當 PCB 銅箔與基材的散熱能力已經充分利用後，剩餘熱量仍需要透過金屬散熱器傳入空氣。散熱器本質上就是用來提供比 PCB 本身更大散熱表面積的金屬結構。

散熱器是否有效，主要取決於兩項因素：鰭片幾何結構，以及元件與散熱器之間的熱介面。

客製化 PCB 散熱器的主要設計指南

選擇或設計散熱器時，可以按照以下順序考量：

1. 根據冷卻方式決定鰭片間距：自然對流需要約 6 至 12 mm（0.24 至 0.47 in）的鰭片間距，讓熱空氣能順利向上流出。強制風冷因為有風扇推動空氣，間距可以縮小至約 2 至 4 mm（0.08 至 0.16 in）。
2. 保留足夠厚的散熱器底座以擴散熱量：約 3 至 5 mm（0.12 至 0.20 in）的底座，可以讓來自約 10 mm（0.4 in）封裝的熱量向外擴散至更多鰭片，而不是只集中在元件正下方。
3. 自然對流時可以考慮黑色陽極處理：原文指出，在靜止空氣中，黑色表面的熱輻射可能貢獻約 10% 至 15% 散熱能力；如果使用風扇，輻射所占比例則相對降低。

製造解決方案：JLCPCB 如何應對 PCB 散熱需求

前面所有熱設計選擇，一旦進入下單階段就會轉化成實際製造規格。PCB 製造商是否提供特定銅厚、填孔製程或基板材料，會直接限制最終能實現的熱設計。

高導熱材料與厚銅 Stackup

PCB 基材必須與實際需要處理的功率相匹配，否則單靠走線方式無法解決整體熱問題。

• FR-4 厚銅 PCB：原文列出的外層銅厚選項包括 1、2、2.5、3.5 或 4.5 oz，內層則包括 0.5、1 或 2 oz。從 1 oz 增加到 2 oz，大致可以把每片 Copper Pour 的橫向熱擴散阻力降低約一半。
• 鋁基板：典型約 1 W/mK 的介電層，在板厚方向的導熱性能約為 FR-4 的 3 至 4 倍，適合 LED 板、驅動器以及單層功率級。
• 直接連接散熱器的銅基板：金屬 Core 可以形成至少約 1 × 1 mm（39 × 39 mil）的裸露接觸區，讓散熱器直接與金屬接觸，而不是隔著低導熱 Laminate。

可以進一步比較不同基板，例如鋁基板、銅基板以及標準 FR-4，再根據實際功率需求選擇合適材料。

精密導熱 Via 電鍍與進階鋁基 PCB 製造

導熱 Via 設計最後是否有效，很大程度上取決於孔壁實際電鍍品質，因為普通空心 Via 真正負責傳熱的主要材料就是孔壁上的銅。

• 平均孔壁鍍銅厚度 18 µm（0.7 mil）：計算單一 Via 熱阻時，不應直接使用過度樂觀的 25 µm（1 mil）鍍銅厚度假設。
• Via 最小可達約 0.15 mm（6 mil）：但原文仍建議 Thermal Via Array 優先使用約 0.3 mm（12 mil）孔徑，因為單孔導熱能力約可提高至兩倍。
• Via-in-Pad，搭配環氧樹脂或銅膏填孔與蓋鍍：如果裸露式 Thermal Pad 下方的 Via Array 主要負責散熱，原文建議優先選擇銅膏填孔，因為銅具有良好導熱性，而一般環氧樹脂沒有相同效果。

如果除了 PCB 製造之外也進行元件組裝，功率元件可以直接從元件庫中選擇，讓穩壓器與 Footprint 從原理圖一路保持到實際 PCBA 組裝階段。

PCB 散熱常見問題

結論

理解PCB 散熱最實用的方法，不是把它想成「如何把一片 PCB 冷卻」，而是把它視為「建立完整熱傳導路徑」。

熱量先從晶片 Die 傳到封裝，再透過銅箔導出，接著穿過介電材料或 Thermal Interface Material，最後進入流動空氣。整條路徑的每一段都可以用熱阻數值表示，而其中最大的熱阻通常就是最值得優先改善的瓶頸。

這也是為什麼先進行計算，比直接套用任何單一散熱技巧更重要。16 個導熱 Via、2 oz 銅以及 8 °C/W 散熱器，只是特定熱阻鏈計算後得到的結果，並不是所有 PCB 都適用的固定規則。

先建立完整熱阻鏈並計算結果，再根據需求選擇適合的基材、銅厚與 Via 填充方式。當 FR-4 已經無法滿足熱負載時，還可以進一步採用 JLCPCB 所提供的鋁基板、銅基板與厚銅 PCB 等製造方案。