熱管理(lǐ)對於使電路闆中的(de)元件保持在安全工作溫度範圍內非常重要。FR4 是最常用(yòng)的(de)基闆材料之一，但其熱導率非常低，會導緻熱量集中在發熱元件附近。在這種情況下(xià)，我們需要採用(yòng)一個全面的(de)熱管理(lǐ)策略，實現關鍵元件的(de)散熱，並使其保持在工作溫度範圍內。
通(tōng)常，所有熱管理(lǐ)中都包括風扇和(hé)散熱器，低熱阻 PCB 設計也(yě)不例外。這需要選用(yòng)適當的(de)材料或額外使用(yòng)大(dà)量銅，為關鍵元件提供低電阻散熱路徑。本文將討論可(kě)以降低 PCB 熱阻，並確保電路闆處於安全溫度範圍內的(de)一些方法。
什(shén)麼是 PCB 熱阻？
雖然有時會使用(yòng)「熱導率」一詞來代替「熱阻」，但這兩個物(wù)理(lǐ)量其實不同。PCB 熱阻是熱力學中類比電阻的(de)概念。它取決於基闆材料、元件以及銅元件的(de)熱導率，以及所有這些要素的(de)幾何形狀。在導熱率較高(gāo)的(de)電路闆中，熱量會更快(kuài)地從溫度較高(gāo)的(de)區域轉移到溫度較低的(de)區域，因此電路闆的(de)熱阻較低。
電路闆中的(de)各種材料和(hé)元件具有不同的(de)熱導率，因此它們的(de)導熱速率也(yě)不同。電路闆的(de)整體熱阻需要綜合考慮每個元件的(de)熱阻。如果願意，可(kě)以構建電路模型，然後利用(yòng)每個元件的(de)熱阻來計算(suàn)電路闆的(de)總熱阻，這和(hé)電阻一樣。如此一來，高(gāo)熱阻基闆（通(tōng)常為 FR4）和(hé)低熱阻導體（銅）的(de)組合便決定了(le) PCB 的(de)有效熱導率和(hé)總熱阻。
低熱阻設計
如果降低 PCB 熱阻的(de)設計方法在上述討論中尚不明(míng)顯，那麼最佳方法便是多(duō)使用(yòng)熱導率高(gāo)的(de)材料。這是帶有發熱元件的(de)電路闆應該使用(yòng)內部平面層的(de)一個原因。平面層中使用(yòng)的(de)銅具有高(gāo)熱導率，因而為發熱元件提供了(le)低電阻散熱路徑。設計高(gāo)速或高(gāo)頻電路闆時，無論如何都應該使用(yòng)內部電源/接地平面層，因為這有助於隔離並遮蔽外部輻射源產生的(de)電磁幹擾。
另一種表層散熱的(de)方式是在發熱元件下(xià)放銅焊盤。這些焊盤上通(tōng)常有過孔連接內部接地平面，從而為這些元件提供鏡像隔離 (image shielding)。帶有晶片貼裝散熱焊盤的(de)元件應直接焊接到散熱焊盤上，從而使元件獲得(de)最佳散熱效果。設計這些焊盤時要小心，因為若放置的(de)過孔太大(dà) / 太多(duō)，在組裝過程中焊料會滲透到電路闆背面。同封裝廠確認其製造能力是一個好辦法。
散熱焊盤中的(de)過孔：仔細確定這些過孔的(de)尺寸和(hé)間距。
另一個降低 PCB 熱阻的(de)主要方法是使用(yòng)更多(duō)銅。如果電路闆的(de)工作電流較大(dà)，則無論如何都應該使用(yòng)更多(duō)銅。IPC-2152 曲線圖是一種防止溫升過高(gāo)的(de)走線設計方法，儘管很難解決基於 IPC 2152 的(de)設計中的(de)阻抗控制要求。
IPC-2152 曲線圖。
圖片來源：http://electronica.ugr.es/~amroldan/cursos/2014/pcb/modulos/temas/IPC2152.pdf
使用(yòng)替代基闆材料的(de)超級快(kuài)充散熱
與其他(tā)基闆材料相比，FR4 闆材因熱導率較低，故而熱阻較高(gāo)，因此發熱元件上需要使用(yòng)散熱焊盤。陶瓷和(hé)金屬芯 PCB 等基闆替代物(wù)是很好的(de)熱管理(lǐ)選擇。這兩種材料的(de)整體導熱率都更高(gāo)，無需使用(yòng)散熱焊盤和(hé)電路闆背面的(de)通(tōng)孔，元件的(de)熱量便可(kě)以快(kuài)速散去。
FR4 的(de)熱導率約為 1.0 W/(m-K)，其他(tā)高(gāo)頻相容層壓闆（如 Rogers 和(hé) Isola 公司的(de)材料）的(de)熱導率值相似。相比之下(xià)，陶瓷材料的(de)熱導率在 20 至 300 W/(m-K) 之間，因此非常適合與發熱元件一起使用(yòng)或放置在靠近其他(tā)熱源的(de)系統中。採用(yòng)高(gāo)導熱率的(de)陶瓷基闆後，電路闆中便可(kě)以不再使用(yòng)體積笨重的(de)散熱器或噪音(yīn)較大(dà)的(de)風扇。用(yòng)於 PCB 的(de)常見陶瓷包括氧化(huà)鋁、氮化(huà)鋁、氮化(huà)硼和(hé)碳化(huà)矽。
陶瓷 PCB 還有其他(tā)優點和(hé)缺點。儘管陶瓷材料的(de)強度較高(gāo)，但它們易碎且易斷裂，而 FR4 則相當柔韌。陶瓷材料的(de)熱膨脹係數遠比 FR4 或其他(tā)纖維編織基闆更接近銅的(de)熱膨脹系數值。這降低了(le)運行期間細走線和(hé)過孔上的(de)熱應力。也(yě)可(kě)以透過使用(yòng)各種添加劑來調節陶瓷材料的(de)性能。這仍然是材料科學領域的(de)一個研究熱點。
金屬芯 PCB 是 FR4 基材的(de)另一種替代品。這類基闆使用(yòng)一種金屬闆（通(tōng)常是鋁）作為闆芯。該闆芯可(kě)以連接到鄰近的(de)接地平面，提供額外的(de)電磁幹擾隔離層。此外，金屬芯的(de)機械強度更高(gāo)，熱阻更低，且柔韌可(kě)彎；與陶瓷材料相比，這類電路闆不易斷裂。鋁芯 PCB 通(tōng)常用(yòng)於大(dà)功率 LED 照(zhào)明(míng)系統，這種情況下(xià)，電路闆與大(dà)型金屬外殼連接。電路闆因此獲得(de)了(le)很高(gāo)的(de)散熱性能。
鋁芯 PCB 上的(de)大(dà)功率貼片 LED，鋁芯 PCB 可(kě)實現低熱阻和(hé)高(gāo)結構強度。
無論是在 FR4、陶瓷還是金屬芯基闆上進行設計，如果想要獲得(de)低熱阻 PCB，都需要合適的(de) PCB 設計和(hé)分(fēn)析軟體。無論在任何基闆材料上創建 layout，Allegro® PCB Designer 軟體都是一個理(lǐ)想選擇，可(kě)幫助設計師順利確定電路闆上的(de)熱點。
更多(duō)熱管理(lǐ)相關內容
 |
|
|---|---|
|
|
|
譯文授權轉載出處 (映陽科技協同校閱)
長按識別 QRcode，關注「Cadence 楷登 PCB 及封裝資源中心」
歡迎關注 Graser 社群，即時掌握最新技術應用(yòng)資訊
