低热阻PCB设计

2020-03-24

风扇和散热器通常是任何热管理(lǐ)的一部分(fēn)，但您也应该设计成低热阻。这就要求选择正确的材料或大量使用(yòng)额外的铜，以提供一条低電(diàn)阻路径，使热量遠(yuǎn)离关键部件。您可(kě)以通过以下几种方法实现低热阻PCB设计，并确保電(diàn)路板处于安全的温度范围内。

什么是PCB热阻？

有(yǒu)时会使用(yòng)术语“热导率”代替术语“热阻”，但是这两个数量并不相同。PCB热阻是電(diàn)阻的热力學(xué)模拟。它取决于基板材料，组件和铜特征的热导率，以及所有(yǒu)这些元素的几何形状。具有(yǒu)较高导热率的板允许热量以更快的速度从较热的區(qū)域移动到较冷的區(qū)域，因此该板将具有(yǒu)较低的热阻。

電(diàn)路板上的各种材料和组件将具有(yǒu)不同的导热率，因此它们将以不同的速率传导热量。電(diàn)路板的整體(tǐ)热阻需要考虑每个元素的热阻。如果愿意，您可(kě)以构建電(diàn)路模型，利用(yòng)每个组件的热阻来找到電(diàn)路板的总热阻，就像電(diàn)阻一样。这样，高热阻基板（通常為(wèi)FR4）和低热阻导體(tǐ)（铜）的组合决定了PCB的有(yǒu)效热导率和总热阻。

降低热阻的PCB设计

如果从上述讨论中看不出来，降低热阻的好方法是使用(yòng)更多(duō)具有(yǒu)高导热率的材料。这是带有(yǒu)高温组件的電(diàn)路板应使用(yòng)内部平面层的原因之一。平面层中使用(yòng)的铜具有(yǒu)很(hěn)高的导热系数，因此它為(wèi)热量从热组件移走提供了一条低電(diàn)阻路径。如果要设计用(yòng)于高速或高频的電(diàn)路板，则无论如何都应使用(yòng)内部電(diàn)源/接地层，因為(wèi)这有(yǒu)助于隔离并可(kě)以屏蔽来自外部源的辐射EMI。

将铜焊盘放在热的部件下面是将热量从表面层带走的另一种方法。这些焊盘通常包含连接到内部接地层的过孔，从而為(wèi)这些组件提供图像屏蔽。具有(yǒu)裸片附接的散热片的组件应直接焊接到散热垫上，以尽量地将热量从组件散走。设计这些焊盘时要小(xiǎo)心，因為(wèi)放置的过大/太多(duō)的过孔会在组装过程中使焊料芯吸到板的背面。与制造商(shāng)装配厂联系以了解其功能(néng)是一个好主意。散热垫中的过孔。调整这些通孔的大小(xiǎo)并定义它们之间的间距时要小(xiǎo)心。

降低热阻的另一种主要方法是使用(yòng)较重的铜。如果您知道您的電(diàn)路板必须在更高的電(diàn)流下运行，则无论如何都应使用(yòng)较重的铜缆；尽管可(kě)能(néng)很(hěn)难使基于IPC 2152的PCB设计与阻抗控制要求保持一致。

使用(yòng)替代性基板材料进行增压散热的PCB设计

FR4薄片与其他(tā)基材相比具有(yǒu)较低的导热率，因此具有(yǒu)较高的热阻，这促使在热组件上使用(yòng)导热垫。陶瓷和金属芯PCB等替代基板是热管理(lǐ)的一种有(yǒu)吸引力的选择。两种材料都具有(yǒu)较高的整體(tǐ)导热率，从而可(kě)以在不使用(yòng)导热垫和通孔到電(diàn)路板背面的情况下，将热量快速从器件中移走。

FR4的导热系数约為(wèi)1.0 W /（mK），其他(tā)与高频兼容的层压板（例如Rogers和Isola材料）的导热系数相似。相比之下，陶瓷材料的导热率范围从20到300 W /（mK），使其非常适合与热组件一起使用(yòng)，或放置在靠近其他(tā)热源的系统中。陶瓷基板的高导热性可(kě)以消除電(diàn)路板上庞大的散热器或嘈杂的风扇。用(yòng)于PCB的常见陶瓷包括氧化铝，氮化铝，氮化硼和碳化硅。

陶瓷PCB具有(yǒu)其他(tā)优点和缺点。尽管陶瓷材料具有(yǒu)很(hěn)高的强度，但它们很(hěn)脆并且容易破裂，而FR4则非常柔软。陶瓷材料的热膨胀系数已经比FR4或其他(tā)纤维编织基材更接近铜的热膨胀系数。这样可(kě)以减少操作过程中细線(xiàn)迹和通孔上的热应力。陶瓷的材料特性也可(kě)以通过使用(yòng)各种添加剂来调节。这仍然是材料科(kē)學(xué)研究的活跃领域。

金属芯PCB是FR4基板的另一种选择。这种类型的基板使用(yòng)金属板（通常是铝）作為(wèi)芯。该磁芯可(kě)以连接到附近的接地层，从而提供一层额外的EMI屏蔽层。金属芯还具有(yǒu)较高的机械强度和较低的热阻，同时仍具有(yǒu)柔韧性。与陶瓷材料相比，这些板不易断裂。铝芯PCB通常用(yòng)于大功率LED照明系统，然后将该板连接到大型金属外壳上。这提供了遠(yuǎn)离電(diàn)路板的很(hěn)高的散热。铝芯具有(yǒu)较低热阻和较高的结构强度。

无论您是在FR4，陶瓷还是金属芯基板上进行设计，如果您希望電(diàn)路板具有(yǒu)低热阻，就需要专业的PCB设计公司。上海韬放電(diàn)子提供专业的PCB设计服務(wù)，如果您有(yǒu)这方面的需求，请与我们联系。