低熱阻PCB設計

熱設計網 2020-06-17

熱管理對于使電路板中的部件保持在安全工作溫度范圍內非常重要。FR4是最常用的基板材料之一，但其熱導率非常低，會導致熱量集中在發熱部件附近。在這種情況下，我們需要采用一個全面的熱管理策略，實現關鍵部件的散熱，并使其保持在工作溫度范圍內。

通常，所有熱管理中都包括風扇和散熱器，低熱阻PCB設計也不例外。這需要選用適當的材料或額外使用大量銅，為關鍵部件提供低電阻散熱路徑。本文將討論可以降低PCB熱阻，并確保電路板處于安全溫度范圍內的一些方法。

什么是PCB熱阻？

雖然有時會使用“熱導率”一詞來代替“熱阻”，但這兩個物理量其實不同。PCB熱阻是熱力學中類比電阻的概念。它取決于基板材料、部件以及銅部件的熱導率，以及所有這些要素的幾何形狀。在導熱率較高的電路板中，熱量會更快地從溫度較高的區域轉移到溫度較低的區域，因此電路板的熱阻較低。

電路板中的各種材料和部件具有不同的熱導率，因此它們的導熱速率也不同。電路板的整體熱阻需要綜合考慮每個部件的熱阻。如果愿意，可以構建電路模型，然后利用每個部件的熱阻來計算電路板的總熱阻，這和電阻一樣。如此一來，高熱阻基板（通常為FR4）和低熱阻導體（銅）的組合便決定了PCB的有效熱導率和總熱阻。

低熱阻設計

如果降低PCB熱阻的設計方法在上述討論中尚不明顯，那么最佳方法便是多使用熱導率高的材料。這是帶有發熱部件的電路板應該使用內部平面層的一個原因。平面層中使用的銅具有高熱導率，因而為發熱部件提供了低電阻散熱路徑。設計高速或高頻電路板時，無論如何都應該使用內部電源/接地平面層，因為這有助于隔離并屏蔽外部輻射源產生的電磁干擾。

另一種表層散熱的方式是在發熱部件下放銅焊盤。這些焊盤上通常有過孔連接內部接地平面，從而為這些部件提供鏡象屏蔽。帶有芯片貼裝散熱焊盤的部件應直接焊接到散熱焊盤上，從而使部件獲得最佳散熱效果。設計這些焊盤時要小心，因為若放置的過孔太大/太多，在組裝過程中焊料會滲透到電路板背面。同封裝廠確認其制造能力是一個好辦法。

另一個降低PCB熱阻的主要方法是使用更多銅。如果電路板的工作電流較大，則無論如何都應該使用更多銅。IPC-2152曲線圖是一種防止溫升過高的走線設計方法，盡管很難解決基于IPC 2152的設計中的阻抗控制要求。

使用替代基板材料的超級快充散熱

與其他基板材料相比，FR4板材因熱導率較低，故而熱阻較高，因此發熱部件上需要使用散熱焊盤。陶瓷和金屬芯PCB等基板替代物是很好的熱管理選擇。這兩種材料的整體導熱率都更高，無需使用散熱焊盤和電路板背面的通孔，部件的熱量便可以快速散去。

FR4的熱導率約為1.0 W/(m-K)，其他高頻兼容層壓板（如羅杰斯和依索拉公司的材料）的熱導率值相似。相比之下，陶瓷材料的熱導率在20至300 W/(m-K)之間，因此非常適合與發熱部件一起使用或放置在靠近其他熱源的系統中。采用高導熱率的陶瓷基板后，電路板中便可以不再使用體積笨重的散熱器或噪音較大的風扇。用于PCB的常見陶瓷包括氧化鋁、氮化鋁、氮化硼和碳化硅。

陶瓷PCB還有其他優點和缺點。盡管陶瓷材料的強度較高，但它們易碎且易斷裂，而FR4則相當柔韌。陶瓷材料的熱膨脹系數遠比FR4或其他纖維編織基板更接近銅的熱膨脹系數值。這降低了運行期間細走線和過孔上的熱應力。也可以通過使用各種添加劑來調節陶瓷材料的性能。這仍然是材料科學領域的一個研究熱點。

金屬芯PCB是FR4基材的另一種替代品。這類基板使用一種金屬板（通常是鋁）作為板芯。該板芯可以連接到鄰近的接地平面，提供額外的電磁干擾屏蔽層。此外，金屬芯的機械強度更高，熱阻更低，且柔韌可彎；與陶瓷材料相比，這類電路板不易斷裂。鋁芯PCB通常用于大功率LED照明系統，這種情況下，電路板與大型金屬外殼連接。電路板因此獲得了很高的散熱性能。