低PCB热阻设计

2020年1月24日

PCB着火

用这些设计技巧保持PCB热阻低。

热管理是非常重要的保持组件在您的板在一个安全的工作温度。FR4，可以说是最受欢迎的衬底材料，具有极低的热导率，导致热保持在热部件附近。这就需要一个全面的热管理策略，以分散关键部件的热量，并使它们保持在其工作温度内。

风扇和散热器通常是任何热管理的一部分，但您也应该设计低PCB热阻。这需要选择正确的材料或大量使用额外的铜，以提供一个低阻路径，使热量远离关键部件。这里有一些方法可以降低PCB的热阻，并确保电路板处于安全的温度范围内。

PCB热阻是什么?

术语“热导率”有时用来代替术语“热阻”，但这两个量是不一样的。PCB热阻是电阻的热力学模拟物。这取决于衬底材料、组件和铜的热导率，以及所有这些元素的几何形状。具有较高热导率的板允许热量以更快的速度从较热的区域移动到较冷的区域，因此板将具有较低的热阻。

电路板中的各种材料和组件将具有不同的导热系数，因此它们将以不同的速率传导热量。电路板的整体热阻需要考虑各个元件的热阻。如果你愿意，你可以构建电路模型，可以用每个组件的热阻来计算电路板的总热阻，就像用电阻一样。这样，a的组合高热阻衬底(一般为FR4)低热阻导体(铜)决定了PCB的有效热导率和总热阻。

设计以降低热阻

如果从上面的讨论还不明显，那么降低PCB热阻最好的方法就是多使用导热系数高的材料。这就是带有热元件的电路板应该使用内部平面层的原因之一。在平面层中使用的铜具有高导热性，因此它为热量从热组件中移动提供了低阻力路径。如果您正在设计用于高速或高频，无论如何，您都应该使用内部电源/地面层，因为这有助于隔离并屏蔽来自外部源的辐射EMI。

在热元件下面放置铜垫是另一种将热量从表层引导出去的方法。这些衬垫通常包含连接到内部地平面的通孔，为这些组件提供图像屏蔽。带有模具附属热桨的组件应直接焊接到热垫上，以最大限度地从组件转移热量。在设计这些衬垫时要小心，因为放置太大/太多的通孔将允许焊料在组装过程中通过板的背面。这是一个好主意，检查您的制造商装配厂关于他们的能力。

热垫中的通孔，用于降低PCB热阻

热垫中的过孔。在确定这些通孔的尺寸和定义它们之间的间距时要小心。

降低PCB热阻的另一种主要方法是使用较重的铜。如果你知道你的电路板必须在更高的电流下运行，那么你应该使用更重的铜;IPC-2152 nomograph(见PDF文件的第6页)是一种设计走线以防止过度温升的方法，尽管很难将基于IPC 2152的设计与阻抗控制要求相协调。

利用替代基底材料进行增压散热

与其他衬底材料相比，FR4片材具有较低的热导率，因此具有较高的热阻，这促使在热组件上使用热垫。替代基板如陶瓷和金属芯pcb是热管理的一个有吸引力的选择。这两种材料都提供了更高的整体导热性，允许热量从组件中快速移动，而无需使用热垫和通孔通道到板的背面。

FR4的热导率约为1.0 W/(m-K)，其他高频兼容层压板(如Rogers和Isola材料)具有类似的热导率值。相比之下，陶瓷材料的热导率在20到300 W/(m-K)之间，这使得它们非常适合与热组件一起使用，或放置在靠近其他热源的系统中。陶瓷基板的高导热性可以消除笨重的需要散热器或嘈杂的风扇在你的黑板上。常见的多氯联苯陶瓷包括氧化铝、氮化铝、氮化硼和碳化硅。

陶瓷pcb还有其他优点和缺点。陶瓷材料虽然强度高，但脆性强，易断裂，而FR4具有相当的柔韧性。陶瓷材料的热膨胀系数已经比FR4或其他纤维编织基材更接近铜的热膨胀系数。这减少了操作过程中薄走线和通孔的热应力。陶瓷的材料性能也可以通过使用各种添加剂来调节;这仍然是材料科学研究的一个活跃领域。

金属芯pcb是FR4衬底的另一种替代品。这种类型的基板使用金属片(通常是铝)作为核心。这个核心可以连接到附近的地平面，提供一个额外的层电磁干扰屏蔽．金属芯还提供更高的机械强度和低热阻，同时仍然灵活;与陶瓷材料相比，这些板不易断裂。铝芯pcb通常用于大功率LED照明系统，然后将电路板连接到一个大型金属外壳上。这样可以提供非常高的散热。