車載激光雷達作為"感知之眼"，其可靠性直接決定車輛的安全邊界。然而，高功率激光發(fā)射器、高速信號處理芯片的集成，使散熱問題成為制約激光雷達小型化與高可靠性的核心瓶頸。銅皮鋪地與過孔陣列技術，通過優(yōu)化PCB熱傳導路徑，為熱管理提供了低成本、高效率的解決方案。本文從熱設計原理、仿真方法到工程實踐，系統(tǒng)闡述這兩項技術在車載激光雷達中的應用。

一、散熱挑戰(zhàn)：從熱源到熱失控的連鎖反應

車載激光雷達的熱源主要集中在三大模塊：

激光發(fā)射模塊：VCSEL或EEL激光器的電光轉(zhuǎn)換效率僅30-50%，剩余能量以熱能形式耗散。某905nm激光器在5W輸出功率下，發(fā)熱量達2.5W。

信號處理模塊：FPGA、ADC等芯片的功耗隨分辨率提升而激增，128線激光雷達的信號處理板功耗可達15W。

電源模塊：DC-DC轉(zhuǎn)換效率90%，100W輸入功率下產(chǎn)生10W熱損耗。

這些熱源在密閉腔體內(nèi)形成局部熱點，導致材料老化加速。某測試顯示，激光雷達在60℃環(huán)境溫度下連續(xù)工作2000小時后，激光器波長漂移超2nm，信噪比下降5dB。更嚴峻的是，熱失控可能引發(fā)結構變形：某案例中，PCB因溫差形變導致激光器光軸偏移0.1°，造成點云畸變。

二、銅皮鋪地：構建PCB級熱傳導網(wǎng)絡

1. 銅皮的熱傳導機制

銅皮鋪地通過擴大熱傳導截面積，降低熱阻。其熱阻公式為：

R_th = (t/κA) + R_contact

其中，t為介質(zhì)層厚度，κ為導熱系數(shù)，A為銅皮面積，R_contact為接觸熱阻。在FR4基板中，銅皮(κ=385W/m·K)的熱阻較基板(κ=0.3W/m·K)低3個數(shù)量級。

2. 分層設計與工藝優(yōu)化

多層板熱傳導策略：

頂層：激光器與處理芯片區(qū)域鋪設實心銅皮，厚度≥35μm(1oz銅厚)。

中間層：設置專用散熱層，通過埋孔連接頂層與底層銅皮。

底層：與散熱器接觸區(qū)域鋪設網(wǎng)格銅皮，匹配散熱器表面粗糙度。

某美系激光雷達廠商的實踐顯示，這種分層設計使熱阻從5℃/W降至2℃/W，激光器結溫降低12℃。

3. 銅皮形狀與布局

熱源區(qū)域覆蓋：銅皮需完全覆蓋發(fā)熱元件，并延伸至散熱器接觸區(qū)。某案例中，激光器下方銅皮面積從50mm2擴大至200mm2，使熱擴散效率提升40%。

隔離與信號完整性：高速信號線(如LVDS、MIPI)需與銅皮保持≥0.5mm間距，或通過開窗處理避免短路。某日系供應商采用"銅島+銅橋"結構，在保證散熱的同時，將信號完整性損失控制在5%以內(nèi)。

三、過孔陣列：垂直熱傳導的加速器

1. 過孔的熱傳導模型

過孔通過金屬化孔壁實現(xiàn)層間熱傳導，其等效熱阻為：

R_via = (1/(2πκh)) * ln(D_out/D_in)

其中，h為過孔長度，D_out/D_in為外徑與內(nèi)徑比。典型參數(shù)下(D=0.3mm，h=1.6mm)，單過孔熱阻約0.5℃/W。

2. 過孔陣列設計準則

密度與排列方式：

棋盤式排列：過孔間距≤3mm，適用于高熱流密度區(qū)域(如激光器下方)。

交錯式排列：過孔間距5-8mm，用于信號處理模塊的均熱。

某德系激光雷達的測試表明，在激光器下方布置200個/dm2過孔，可使垂直熱傳導效率提升30%，結溫降低8℃。

信號完整性協(xié)同設計：過孔需避開高速信號線，或采用背鉆工藝減少stub效應。某國產(chǎn)激光雷達通過優(yōu)化過孔位置，將10GHz信號的插入損耗從3dB降至1dB。

3. 過孔陣列的仿真優(yōu)化

通過熱-電聯(lián)合仿真，可平衡散熱與信號需求。某案例中，工程師在ANSYS Icepak中建立過孔陣列模型，發(fā)現(xiàn)將過孔直徑從0.2mm增至0.3mm，可使熱阻降低20%，但信號完整性損失從2%升至5%。最終采用0.25mm過孔，實現(xiàn)熱阻與信號的平衡。

四、熱仿真：從模型到驗證的全流程

1. 仿真工具與模型建立

軟件選擇：

ANSYS Icepak：擅長共軛傳熱分析，支持復雜幾何模型。

FloTHERM：提供車載環(huán)境專用庫，如發(fā)動機艙氣流模型。

模型簡化：

忽略非關鍵元件(如小電容、電阻)，保留熱源(激光器、芯片)與散熱路徑(銅皮、過孔)。

設置邊界條件：環(huán)境溫度70℃(車規(guī)Grade 0要求)，自然對流或強制風冷(如1m/s風速)。

某仿真案例顯示，在強制風冷條件下，銅皮鋪地與過孔陣列使激光器溫度從95℃降至72℃，滿足車規(guī)要求。

2. 關鍵參數(shù)監(jiān)測

溫度梯度分析：重點監(jiān)測激光器結溫、芯片熱點溫度、PCB最大溫升。某測試中，激光器結溫超過125℃時觸發(fā)保護機制，通過仿真優(yōu)化后，結溫穩(wěn)定在110℃以下。

熱流密度分布：識別熱傳導瓶頸。某案例發(fā)現(xiàn)，過孔陣列與散熱器接觸面存在0.5mm間隙，導致熱阻增加15%，通過填充導熱膠解決問題。

3. 仿真與實測的對比驗證

在某激光雷達的研發(fā)中，仿真預測熱點溫度為85℃，實測值為88℃，誤差3.5%。差異主要源于仿真未考慮線束熱傳導，實測中線束將部分熱量導出腔體。通過修正模型，第二輪仿真誤差降至1.2%。

五、工程實踐：從設計到量產(chǎn)的跨越

1. 某美系激光雷達的散熱優(yōu)化

問題：初代產(chǎn)品在60℃環(huán)境溫度下，激光器結溫達105℃，信號處理芯片因過熱導致幀率下降30%。

解決方案：

頂層銅皮面積擴大3倍，覆蓋全部熱源區(qū)域。

中間層增加專用散熱層，布置800個/dm2過孔陣列。

底層銅皮與鋁制散熱器通過導熱膠粘接，接觸面粗糙度降至1.6μm。

結果：在相同工況下，激光器結溫降至82℃，信號處理芯片幀率保持100%，通過AEC-Q100 Grade 0認證。

2. 某國產(chǎn)激光雷達的低成本方案

挑戰(zhàn)：成本敏感型市場需在50元內(nèi)實現(xiàn)有效散熱。

創(chuàng)新設計：

采用2層板結構，頂層銅皮厚度增至2oz(70μm)。

過孔陣列密度降低至50個/dm2，但通過增大過孔直徑(0.4mm)補償熱阻。

散熱器采用沖壓鋁片替代機加工，成本降低60%。

測試數(shù)據(jù)：在70℃環(huán)境溫度下，激光器結溫95℃，信號處理芯片溫度88℃，滿足車規(guī)基本要求。

六、未來趨勢：智能散熱與材料革新

1. 新材料的應用

石墨烯涂層銅皮正在實驗室階段，其熱導率達3000W/m·K，較純銅提升8倍。某初創(chuàng)公司的測試顯示，石墨烯銅皮使熱阻再降低40%，但成本需控制在現(xiàn)有方案的2倍以內(nèi)方可商用。

2. 智能散熱技術

結合溫度傳感器與動態(tài)調(diào)整算法，實現(xiàn)按需散熱。某概念產(chǎn)品通過在PCB中嵌入微控制器，實時監(jiān)測熱點溫度，并調(diào)整過孔陣列的導熱路徑，使能效比提升25%。

3. 3D封裝與熱仿真

隨著激光雷達向更小型化發(fā)展，2.5D/3D封裝技術將改變熱設計范式。某研究機構開發(fā)的硅基中間層(Interposer)集成微流道，通過仿真預測可使熱密度從50W/cm2提升至200W/cm2，但需解決流體密封與長期可靠性問題。

車載激光雷達的散熱設計，是材料科學、熱工學與電子工程的交叉創(chuàng)新。銅皮鋪地與過孔陣列通過優(yōu)化PCB熱傳導路徑，在成本與性能間找到平衡點。隨著石墨烯、智能算法等技術的突破，未來的激光雷達散熱系統(tǒng)將更高效、更智能，為自動駕駛的"眼睛"提供持久清晰的視野。