PCB基板的导热系数如何影响性能

2019年9月12日

PCB散热片的温度分布

PCB基板的热导率通常被认为是事后才考虑的。这个重要的物理量测量热量从高温物体流向材料较冷区域的速度。许多大规模生产的电路板将被放置在FR4上，与许多替代材料相比，FR4的电导率非常低。因此，许多设计师使用许多热管理方法和系统来保持他们的板和组件的温度在安全范围内。

值得庆幸的是，有许多材料可以用作PCB基板，除了具有更高的热导率外，它们还有许多其他优点。你的PCB基板材料也会影响导体在高温下产生的热应力和在高速/高频下的损耗。在选择热导率以外的基板时，需要考虑许多设计权衡，最好使用低热导率的基板和一些被动或主动冷却方法。

导热系数如何影响PCB温度

选择导热系数合适的基板是PCB设计的重要方面之一。pcb中的热管理在具有高速开关的有源元件的小型电路板中变得尤为重要。它在电路板中也很重要，因为在跟踪中电阻损耗将产生热量，然后转移到基板。

如果你知道你的电路板在运行过程中会产生大量的热量，或者如果你的电路板会在高温环境下运行，那么你可能需要使用导热系数更高的基板。您可能还需要实施被动冷却，主动冷却，或两者同时进行，以保持重要部件的温度在其安全操作范围内。这也很重要

称重热导率和其他材料性能

众所周知，导热系数高的PCB基板材料也往往具有较高的导电性。这并不一定意味着衬底介电常数的实部也会有一个较大的值。相反，它意味着衬底材料的导电损失往往是较大的衬底与较高的热导率。

这意味着在PCB中沿着传输线的损耗将会增加，这是由于导线表面的加热以及传输线和参考导体之间的泄漏造成的。然而，还有一些替代方案高速/高频PCB基板材料您可以使用提供类似或较低的导电性与可比的热导率。陶瓷具有比FR4高得多的导热性，但导电损失略低。虽然这些基板的成本往往高于FR4基板，但您的板将有更长的预期寿命，这成为您的产品的一个重要卖点。

PCB基板要考虑的另一个热方面是它的体积膨胀。在所有材料中，热导率并不会随体积膨胀系数的变化而变化，尽管使用热导率更高的基板是可取的，因为它将热量从热组件中转移，从而在整个板中产生更均匀的温度分布。这就防止了局部体积膨胀，并在有源元件或携带大电流的痕迹附近形成热点。

PCB布局中的轨迹

如果这些痕迹带有很高的电流，就会有危险

对于在高温或低温下反复循环的pcb，体积膨胀变得尤为重要。当PCB达到高温时，基板和导体会膨胀，这就给导体施加了压力。如果温度达到一个非常高的水平或导体非常薄(如在人类发展指数多氯联苯)时，应力会导致痕迹从基板开始分层。长径比大的未填充孔也会在孔中心附近或铜箔边缘处开裂。

这就是为什么它变得重要的匹配您的衬底和导体的体积膨胀系数尽可能接近。陶瓷板比FR4具有更高的导热系数，同时其体积膨胀系数更接近常见PCB导体材料的值。这就是为什么陶瓷喜欢在高温环境或温度反复循环的环境中应用。一旦基板温度通过玻璃化转变温度，板将开始以更快的速度膨胀。一些罗杰斯材料具有较高的玻璃化转变温度，在较宽的温度范围内提供稳定的体积膨胀。

pcb不同应用的热管理

使用具有更高导热系数的基板有助于被动冷却和热管理，这有助于在智能手机、汽车应用、工业电子和其他领域保持较低的板温度。这确保了热量可以更均匀地分布在整个板，从而产生更均匀的温度分布。还有一些其他的简单的被动冷却方法或主动冷却部件可以用来对抗温度上升，如使用热垫，在重要部件上使用散热器，冷却风扇，在内层放置多个平面，以及其他方法。

陶瓷PCB基板材料

与FR4、PTFE和聚酰亚胺相比，陶瓷具有更高的热导率，尽管这是以更高的制造成本为代价的。这些机械上坚韧的基板很难钻孔，无论是用激光还是机械，这使得多层制造困难。陶瓷PCB基板也可以很容易地与烧结的金或银导体一起使用，因为这些材料的纳米颗粒将在烧制PCB陶瓷基板的相同温度下烧结。

请注意，其他材料的特性，如介电常数的实部和虚部，将影响陶瓷板在不同应用中的运行方式。在确定是否需要使用陶瓷PCB基板时，这应该与上面提到的其他材料特性一起考虑。如果您的应用程序需要适度的模拟频率或高温下的高速信号，那么陶瓷基板可能是您的正确选择。

如果你想了解更多，阅读PCB基板材料的选择．

不同PCB基板的导热系数值表

一些替代PCB基板材料的导热系数

散热器的热垫与热膏

热垫和热膏是两种将散热器连接到活性部件上的选择，它们作为一个大型储热器来捕获热量并将其转移到周围环境。散热器必须通过机械方式固定在部件上，或者通过热垫或热贴固定。不同的浆料提供不同的散热水平，尽管热浆料在磨损和撕裂方面比任何热浆料都持久。用这些材料连接到有源组件上的散热片也可以与风扇结合在一起，直接为cpu、gpu、fpga等有源组件和任何其他高速切换的组件提供严重的冷却。

如果你想了解更多，阅读关于使用散热器的文章．

在CPU上涂抹热膏

导热系数高的散热膏，用于安装CPU散热器

多层pcb中的地面和电源平面

你的电源和接地面都将具有高导热性，可以散热整个板。但是，它们不能像陶瓷板材那样降低温度，因为板材表面与外部环境之间的温度梯度往往比陶瓷板材低。包括额外的电源和接地平面可以提供一些额外的散热，增加PCB的等效导热系数。

如果您希望提供更好的电路板可靠性和热管理，而不需要在陶瓷基板上花费额外的钱，您也可以考虑使用金属核心PCB。内部的金属核心提供了一个高导热区域，使热量均匀分布在整个板。考虑到金属芯的天然屏蔽、更高的散热以及与陶瓷相比更低的成本，这是一个很好的折衷方案。

如果你想了解更多，阅读PCB堆叠设计．

用于热管理的冷却风扇

作为冷却风扇必须驱动与模拟信号或脉冲波调制在任何电子系统中安装冷却风扇时，都必须考虑信号完整性的重要因素。这些风扇因产生电磁干扰而臭名昭著，在极端情况下可能会干扰其他组件。由于电磁干扰问题，可能需要适当的堆叠设计、接地和混合信号布局技术来抑制电路板其他区域的噪声。在某些情况下，明智地使用过滤或简单地使用屏蔽罐可以帮助抑制来自冷却风扇的噪音。

如果你想了解更多，阅读有关主动和被动冷却的选择．

PCB布局中的有源和无源组件

你知道这些部件中哪些需要一个冷却风扇吗?

动态功率调节

对于尺寸太小，无法安装散热风扇或散热器的设备，使用有源器件动态功率调节可以暂时减少单板产生的热量。这是移动设备中使用的标准策略，因为移动设备太小，无法采用主动冷却。这涉及到根据需要主动地打开或关闭设备中的不同功能块。这还包括将微控制器等组件置于休眠模式，以节省电力并消除系统中的热源。当与一些独特的基板材料或金属核心PCB一起使用时，可以补偿标准PCB基板的低导热系数。

如果你想了解更多，阅读移动设备的动态功率调节．