高功率pcb和热导率:保持您的板在冰上

任何听过笔记本电脑风扇高速旋转的人都知道，热管理在电子产品中是极其重要的。热管理不仅仅是将组件保持在安全的操作温度内。电路板本身也可能因多次热循环和许多设备中的热点而损坏。

考虑到这些问题，设计师可以通过哪些方法来改善板的有效热管理?在某些时候，被动和主动冷却技术将无法在不产生进一步结垢的情况下补偿温度上升。幸运的是，有一些不太常见的电路板设计，你可以使用更好的热管理。

大功率pcb的替代材料

FR4是目前单层和多层pcb最常见的衬底材料。与其他常见的电绝缘体一样，与其他适合用作PCB基板的材料相比，它具有较低的导热系数。在高速设备、电力电子设备和射频板中积累的热量可能相当大。此外，这些系统所处的恶劣环境可能会加剧热需求。使用具有更高热导率的替代基板材料可能是比使用FR4更好的选择。

陶瓷材料有一些相当大的优点热管理在大功率pcb中。这些材料除了具有较高的热导率外，其力学性能材料可以进行调谐，有助于补偿反复热循环过程中积累的应力。与FR4相比，用于pcb的陶瓷的热膨胀系数更接近硅芯片的热膨胀系数，因此不需要界面材料。

一些替代基板材料的热导率的比较

对于在高频率工作的大功率pcb，陶瓷是一个很好的选择，因为它们在高达10兆赫的频率范围内具有较低的介质损耗。在较高的频率下，一些杂化材料将提供类似的低损耗，同时略微降低热导率。一个例子是PTFE和非PTFE热固性树脂系统与陶瓷填料。

金属芯和金属包覆pcb的热管理

通孔，垫板和内部电源/地面在您的PCB层堆栈帮助FR4中的有源设备转移热量，帮助防止主要热点的形成。如果您不是在非常高的频率下工作，例如在电力电子应用程序中，您可能会想要坚持使用FR4，因为有更多的制造商专门从事这种材料和具有竞争力的成本。

由于金属的高导热性，FR4板使用金属芯有助于快速在整个板内传输热量。一些制造商也提供金属包覆的pcb，其中两个表层都用金属包裹。铝和镀锌铜是用于这些板的两种常见金属。从单位重量成本的角度来看，铝是更好的选择，而铜提供更高的导热性。

用银做导线、孔、焊盘和金属芯的导热系数也比铜高5%左右。如果你担心热管理，请远离铝和金，因为它们的导热系数分别比铜低40%和15%。如果您的电路板将部署在带有有毒气体(例如，硫氧化物或氮氧化物)的潮湿环境中，在暴露的铜痕迹和焊盘上使用镀银处理将有助于防止这些环境中的腐蚀。

尽管铝的导热系数较低，但一个常见的热管理解决方案是在大功率PCB上使用铝基。例如，这是支持高功率LED照明板的常见选择。铝在可见光范围内的反射率在LED照明应用中特别有用，因为它将光从基板反射出去。

红外相机图像显示热点服务器主板上的FR4

PCB热管理布局指南

除了使用正确的基板高功率pcb，明智在单板周围放置活动部件可以帮助防止热点，并确保整个板的温度分布更均匀。包括一些基本的被动或主动冷却策略也可以帮助降低温度。

有效元件应该分布在PCB周围，以防止在单个区域形成热点。避免将有效组件放在你的板的边缘，因为热量将不得不传导回板的中心。相反,活性成分产生大量热量的部件应该放置在更靠近电路板中心的地方，而产生较少热量的部件可以放置在更靠近边缘的地方。

用主动或被动冷却(例如，风扇，蒸发冷却，或散热片)将有助于从有效组件本身散热，而不是直接散热到板上。热管理策略的正确组合将取决于您的应用程序、包装、预算和制造商的能力。

风扇和散热片相结合，有助于有效部件散热

当你需要为高功率高导热的PCB设计电路板时，你需要正确的PCB布局和设计软件拥有全套的设计工具。快板PCB设计者抑扬顿挫的分析工具可以帮助您设计正确的堆叠您的系统和模拟热需求在您的设备。

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