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低热阻PCB设计
时间:2020-07-18 07:11 作者:admin666 来源:
 

热管理对于使电路板中的部件保持在安全工作温度范围内非常重要。FR4是最常用的基板材料之一,但其热导率非常低,会导致热量集中在发热部件附近。在这种情况下,我们需要采用一个全面的热管理策略,实现关键部件的散热,并使其保持在工作温度范围内。


通常,所有热管理中都包括风扇和散热器,低热阻PCB设计也不例外。这需要选用适当的材料或额外使用大量铜,为关键部件提供低电阻散热路径。本文将讨论可以降低PCB热阻,并确保电路板处于安全温度范围内的一些方法。

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什么是PCB热阻?


虽然有时会使用“热导率”一词来代替“热阻”,但这两个物理量其实不同。PCB热阻是热力学中类比电阻的概念。它取决于基板材料、部件以及铜部件的热导率,以及所有这些要素的几何形状。在导热率较高的电路板中,热量会更快地从温度较高的区域转移到温度较低的区域,因此电路板的热阻较低。


电路板中的各种材料和部件具有不同的热导率,因此它们的导热速率也不同。电路板的整体热阻需要综合考虑每个部件的热阻。如果愿意,可以构建电路模型,然后利用每个部件的热阻来计算电路板的总热阻,这和电阻一样。如此一来,高热阻基板(通常为FR4)和低热阻导体(铜)的组合便决定了PCB的有效热导率和总热阻。



低热阻设计


如果降低PCB热阻的设计方法在上述讨论中尚不明显,那么最佳方法便是多使用热导率高的材料。这是带有发热部件的电路板应该使用内部平面层的一个原因。平面层中使用的铜具有高热导率,因而为发热部件提供了低电阻散热路径。设计高速或高频电路板时,无论如何都应该使用内部电源/接地平面层,因为这有助于隔离并屏蔽外部辐射源产生的电磁干扰。


另一种表层散热的方式是在发热部件下放铜焊盘。这些焊盘上通常有过孔连接内部接地平面,从而为这些部件提供镜象屏蔽。带有芯片贴装散热焊盘的部件应直接焊接到散热焊盘上,从而使部件获得最佳散热效果。设计这些焊盘时要小心,因为若放置的过孔太大/太多,在组装过程中焊料会渗透到电路板背面。同封装厂确认其制造能力是一个好办法。

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另一个降低PCB热阻的主要方法是使用更多铜。如果电路板的工作电流较大,则无论如何都应该使用更多铜。IPC-2152曲线图是一种防止温升过高的走线设计方法,尽管很难解决基于IPC 2152的设计中的阻抗控制要求。

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使用替代基板材料的超级快充散热


与其他基板材料相比,FR4板材因热导率较低,故而热阻较高,因此发热部件上需要使用散热焊盘。陶瓷和金属芯PCB等基板替代物是很好的热管理选择。这两种材料的整体导热率都更高,无需使用散热焊盘和电路板背面的通孔,部件的热量便可以快速散去。


FR4的热导率约为1.0 W/(m-K),其他高频兼容层压板(如罗杰斯和依索拉公司的材料)的热导率值相似。相比之下,陶瓷材料的热导率在20至300 W/(m-K)之间,因此非常适合与发热部件一起使用或放置在靠近其他热源的系统中。采用高导热率的陶瓷基板后,电路板中便可以不再使用体积笨重的散热器或噪音较大的风扇。用于PCB的常见陶瓷包括氧化铝、氮化铝、氮化硼和碳化硅。


陶瓷PCB还有其他优点和缺点。尽管陶瓷材料的强度较高,但它们易碎且易断裂,而FR4则相当柔韧。陶瓷材料的热膨胀系数远比FR4或其他纤维编织基板更接近铜的热膨胀系数值。这降低了运行期间细走线和过孔上的热应力。也可以通过使用各种添加剂来调节陶瓷材料的性能。这仍然是材料科学领域的一个研究热点。


金属芯PCB是FR4基材的另一种替代品。这类基板使用一种金属板(通常是铝)作为板芯。该板芯可以连接到邻近的接地平面,提供额外的电磁干扰屏蔽层。此外,金属芯的机械强度更高,热阻更低,且柔韧可弯;与陶瓷材料相比,这类电路板不易断裂。铝芯PCB通常用于大功率LED照明系统,这种情况下,电路板与大型金属外壳连接。电路板因此获得了很高的散热性能。

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