改善散熱:PCB 設計中散熱焊盤的智慧應用
2 分鐘
- 什麼是散熱焊盤?為什麼重要?
- 使用散熱焊盤的主要優點
- 有效導入散熱焊盤的設計指南
- 散熱焊盤 PCB 的製造最佳實務
- JLCPCB 在散熱焊盤方案方面的專業能力
- PCB 散熱焊盤常見問題
- 結論
重點摘要
最佳化 PCB 散熱焊盤設計與導熱孔陣列,對避免因 FR4 低熱導率而造成的半導體失效至關重要。透過採用 1.0–1.2 mm 的導孔間距,並利用分割式鋼網將焊接空洞率控制在 25% 以下,設計者可以消除局部熱點,並提升從原型到大量生產階段的電路板可靠性。
您是否曾想過,一般 FR4 PCB 的熱導率其實只有約 0.3 W/mK?對低功率電路而言,這個數值還可以接受。然而,一旦您開始在電路板上加入耗電較高的 IC、電壓穩壓器或高亮度 LED,熱量就會成為無聲影響可靠性的敵人。這時,良好的 PCB 散熱焊盤就能派上用場。
導致電子組裝品早期失效的最常見原因之一就是熱。半導體接面溫度每升高 10°C,壽命可能就會減半。如果只依賴銅箔走線與環境氣流作為熱管理方案,就等於在性能與壽命上妥協。本文將深入說明散熱焊盤的本質、重要性、有效設計標準,以及能確保其性能的製造流程。
什麼是散熱焊盤?為什麼重要?
PCB 中散熱焊盤的定義與基本功能
散熱焊盤是表面黏著元件封裝底部的大型裸露銅面,用於將熱量直接從晶粒傳導到 PCB。它們常見於 QFN(Quad Flat No-lead)、DFN、PowerPAD,以及許多裸露焊盤電源 IC 封裝中。散熱焊盤不同於傳輸電氣資訊的訊號腳位,它的目的就是作為熱量高速通道。

當元件運作時,散熱焊盤會將熱量向下傳導至 PCB 上對應的銅焊盤。接著,導熱孔陣列會將熱量傳導到內層銅平面,或傳到電路板另一面。這樣即可建立一條從元件接面一路穿過電路板疊構的連續散熱路徑。
什麼情況下熱管理必須使用散熱焊盤?
並非每個設計都需要特別處理散熱焊盤。對於只消耗幾毫安電流的低功耗微控制器,標準銅箔走線與鋪銅通常就能輕鬆處理熱負載。不過,有些情境下散熱焊盤是必需的。如果元件在小型封裝中耗散超過 0.5-1 瓦,就應連接到設計良好的散熱焊盤。這包括:

- 電源管理 IC(PMIC)、電壓穩壓器(LDO、DC-DC 轉換器)
- 連續電流超過 1A 的馬達驅動 IC。
- 帶有散熱塊的高亮度 LED 封裝
- 會產生大量熱的高頻 RF 功率放大器。
- Class AB 或 Class D 音訊 放大器 IC
- DPAK、D2PAK 與 PowerPAK 等 MOSFET 封裝
- 散熱焊盤可提供多項優點,包括:
- 改善熱量從高溫元件傳導到 PCB 的效率。
使用散熱焊盤的主要優點
強化高溫元件到 PCB 的熱傳導
散熱焊盤最明顯的優點,是能大幅提升熱傳導能力。銅的直接銅對銅焊接連接,其熱導率約為 385 W/mK,而焊料合金的熱導率約為 50 W/mK。相比之下,FR4 介電材料的熱導率僅有 0.3 W/mK,因此透過銅來傳導熱量,而不是讓熱穿過層壓板本身,就變得非常重要。讓我們用數字來理解。以下以一顆 2 瓦、5x5 mm 的 QFN 電壓穩壓器為例。
| 散熱路徑 | 熱導率(W/mK) | 相對性能 |
|---|---|---|
| 僅 FR4 基板 | 0.3 | 基準值(差) |
| 銅焊盤(無導孔) | 385 | 優異的橫向熱擴散 |
| 焊點到焊盤 | 50 | 良好的垂直傳熱 |
| 導熱孔(填孔) | ~15-25(有效值) | 良好的板厚方向垂直傳熱 |
| 鋁散熱器 | 205 | 優異的外部散熱 |
降低熱點並提升整體可靠性
除了協助熱傳導,散熱焊盤也能幫助熱量在電路板上更均勻地擴散。如果沒有散熱焊盤,局部熱點會直接出現在功率元件下方。這些熱點會對焊點造成應力、增加銅走線中的電遷移,甚至在溫度高於層壓板玻璃轉移溫度(Tg)時導致 FR4 分層。

設計良好的散熱焊盤系統,會將點熱源的熱量分散到大面積銅平面上,形成可管理的熱分布。這有助於降低電路板最高溫度,並減少會造成不同材料膨脹差異的熱梯度。在熱循環期間承受較小溫度變化的焊點,通常具有更長壽命。如可靠性工程中的 Coffin-Manson 方程式所指出,溫度變化幅度降低 15-20 °C,可能使焊點疲勞壽命增加 2 到 3 倍。對於需要在現場使用多年產品而言,這不是奢侈選項,而是必要條件。
有效導入散熱焊盤的設計指南
位置、尺寸與導熱孔協調
設計散熱焊盤時,需要做出三項決策:落地焊盤尺寸、導熱孔位置,以及導熱孔數量。以下是一套對多數設計都有效的實用方案。

落地焊盤尺寸:PCB 上的銅焊盤應與元件裸露焊盤相同大小,或略大 5-10%。不過,也可能設計得過大,導致元件在回焊時因焊錫表面張力不均而漂浮。如果焊盤太小,則會浪費可用散熱能力。
導熱孔陣列:在落地焊盤區域內排列導熱孔陣列。請遵循以下指南:
-
一般設計可使用 0.3 mm(12 mil)導孔直徑,細間距應用可使用 0.2 mm(8 mil)。
-
導孔中心距建議採用 1.0-1.2mm。
-
為避免錫膏滲入導孔問題,導孔距離焊盤邊緣至少應有 0.15 mm。
-
對典型 5x5 mm 散熱焊盤而言,至少使用 5-9 個導孔。
-
所有導孔都應連接到內層接地或電源平面,作為熱擴散層。
材料選擇與厚度考量
PCB 與熱介面材料的選擇,會直接影響散熱焊盤系統性能。以下是關鍵因素。

銅厚:內層平面上的銅越多,橫向熱擴散能力就越好。對功率設計而言,可考慮在內層使用 2 oz(70 um)銅,而不是常見的 1 oz(35 um)。熱阻會隨銅厚增加而降低。
PCB 層壓板:標準 PCB 層壓板(FR4 Tg 130-140 攝氏度)適合多數應用。如果電路板可能暴露在 130°C 以上環境,請使用中 Tg(150°C)或 高 Tg (170°C)層壓板。這有助於避免分層,並在高溫區域附近維持機械完整性。
散熱焊盤用錫膏:散熱焊盤上的錫膏圖案應使用一系列分段圖形,而不是單一大型開口。一種做法是將焊盤分割成較小錫膏焊盤網格,覆蓋焊盤面積的 50-75%。受控錫膏覆蓋率可限制元件下方空洞率。
| 參數 | 建議值 | 備註 |
|---|---|---|
| 錫膏覆蓋率 | 焊盤面積的 50-75% | 分割式鋼網開孔 |
| 導孔直徑 | 0.2-0.3 mm | 細間距可用較小直徑 |
| 導孔間距 | 1.0-1.2 mm | 中心到中心 |
| 銅厚(內層) | 1-2 oz | 高功率設計使用 2 oz |
| 鋼網厚度 | 0.12-0.15 mm | QFN 焊盤標準值 |
熱介面材料(TIMs):如果要將外部散熱器連接到電路板另一面,並透過導熱孔傳熱,請使用熱導率為 1 至 6 W/mK 的 TIM。這類材料包括矽膠導熱墊、石墨片與相變材料。選擇取決於組裝中可用的壓縮力與間隙容差。
散熱焊盤 PCB 的製造最佳實務
散熱性能與附著力品質控制
視覺檢查並不是確認散熱焊盤品質的唯一方式。為確保熱連接符合規格,通常會使用多種檢查與測試流程。

X-Ray 檢查:這是散熱焊盤焊點的「黃金標準」。X-ray 影像可判定元件下方空洞百分比。產業最佳實務是散熱焊盤空洞率 <25%;許多高可靠性應用,例如車用、醫療與航太,要求空洞率 <15%。過多空洞會降低有效熱接觸面積,並形成絕熱空氣袋。
熱影像:可使用紅外線攝影機在電路板層級進行功能測試。啟動元件電源後監控熱分布,這可讓工程師確認熱量是否被有效分散。若焊接附著不足或空洞過多,散熱焊盤上方會出現明顯熱點。
部分品質檢查點包括:
- X-ray 空洞率量測(目標低於 25%)
- 焊接——確認所有導熱孔連接完整性
- 填孔與蓋孔需保持平整(符合 IPC-4761)
- 導熱孔內銅鍍層厚度均勻性
- 回焊後高溫區周圍無分層或起泡
- JLCPCB 在散熱焊盤方案方面的專業能力。
JLCPCB 在散熱焊盤方案方面的專業能力
進階熱管理能力與材料選項
如果您需要製作具有嚴格散熱焊盤要求的 PCB,選擇能提供所需能力的製造夥伴非常重要。JLCPCB 提供完整熱管理選項,從基本散熱焊盤到複雜多層散熱方案皆可支援。
他們具備製作填孔與蓋孔的能力,可支援盤中孔散熱設計;內層銅厚最高可達 2 oz,並提供多種不同 Tg 等級的層壓材料。對於超出標準 FR4 的設計,JLCPCB 也能支援高 Tg 層壓板,甚至 金屬基 PCB(鋁基或銅基),適用於 LED 照明等對板內熱導率要求較高的應用。
從原型到大量生產的可靠製造
從用 5 片原型板驗證散熱設計,到數千片量產板,JLCPCB 都能持續提供您需要的品質。PCB 製造最低 $2 起,PCB 製造與 SMT 組裝最低 $20 起,您可以先製作散熱焊盤原型設計,再透過 X-ray 檢查與熱測試驗證設計,最後與同一製造商進入量產。
這種連續性對散熱設計非常重要,因為回焊曲線、鋼網規格與導孔填孔品質等製造製程參數,從原型到量產都能保持一致。這代表您在原型板上測得的散熱性能,會與量產板保持一致。這種一致性可消除溫度敏感產品工程師面臨的一大風險因素。
PCB 散熱焊盤常見問題
Q:PCB 上的散熱焊盤是什麼?
散熱焊盤是表面黏著元件底部的裸露銅區域,例如 QFN 或 DFN 封裝,用於提供從元件晶粒到 PCB 的直接散熱路徑。它會焊接到電路板上相匹配的銅焊盤,使熱量能流入 PCB 銅層並擴散到更大面積,以更有效散熱。
Q:散熱焊盤下方應使用多少個導熱孔?
數量取決於焊盤尺寸與耗散功率。一般規則是使用 1.0 至 1.2 mm 間距的導孔網格。對典型 5x5 mm 散熱焊盤而言,常見配置為 9 至 16 個導孔。更高功率元件或更嚴格熱預算,可能需要更多導孔或更大的導孔直徑,以降低總熱阻。
Q:導熱孔應填孔,還是保持開孔?
若追求最佳散熱性能與焊接可靠性,建議使用填孔與蓋孔。開孔導孔可能在回焊期間吸走散熱焊盤上的焊錫,形成會降低熱接觸效果的空洞。如果成本是考量因素,可在元件側對導孔進行防焊蓋孔,作為較低成本替代方案。
Q:可以在 2 層 PCB 上使用散熱焊盤嗎?
可以,散熱焊盤可用於 2 層板。導熱孔會將熱量直接傳到下層銅箔,該層應包含大面積鋪銅作為熱擴散層。不過,其效果通常不如具備專用內層銅平面的多層板設計。
結論
在現代電子產品中,有效熱管理已不再是奢侈選項,而是系統壽命的基本要求。雖然標準 FR4 基板本身難以高效傳熱,但策略性導入 PCB 散熱焊盤可以徹底改變情況。透過將正確尺寸的落地焊盤與最佳化導熱孔陣列結合,尤其是維持 1.0–1.2 mm 間距,並將焊接空洞率控制在 25% 以下,設計者可以順利將破壞性熱量從脆弱的半導體接面導出。
無論您的下一個設計涉及高功率 LED 陣列、馬達驅動器或 RF 放大器,與有能力的製造商合作,都能確保這些關鍵散熱路徑被精準製作。在原型階段投入時間最佳化散熱焊盤佈局,可確保您的大量生產電路板保持低溫、可靠,並能在現場長期使用。
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