热性能PCB设计:解决方案和最佳实践

2022年8月22日

关键的外卖

学习如何为高温场景选择合适的板材材料。
组件布局的方法，以最大限度地从您的电路板传热。
优化PCB的路由和跟踪规格以获得高效的热性能的提示和技巧。

随着电路变得更快更小，热问题比以往任何时候都更普遍，这使得设计你的电路板来处理这些高热场景变得很重要

最近，电子产品变得越来越快、越来越小，并被用于要求更高的环境中。集成电路和smd比以往更小，工作频率更快，需要更多的电力。当我们从设备中需要更多电流时，电阻元件之间的电压降将功率转化为热量，导致温度升高和热点。现在，超过一半的电子元件由于热产生的压力而失效。为了开发高质量的电路板，现在比以往任何时候都更重要的是考虑系统的安全和温度，并设计高效的热性能PCB。在这篇文章中，我们将提出一些关键的策略和解决方案的PCB设计，以提高热性能。

“导热性”指的是材料传递热量的能力。就pcb而言，这是指将产生的热量从组件转移到系统外部的被动(或主动)能力。如果你能够提前计划，并在电路板生产之前预测高热量的来源，你将能够生产出更可靠的设备。特别是对于小电流或大电流的器件，PCB上很容易形成热点。了解如何设计热性能是制造下一代设备的关键。

具有恶劣操作环境和特别容易受到高温环境影响的特定行业的例子是天然气和石油、航空电子设备和汽车行业。无论您的电路板将用于工业设备、电力电子或嵌入式系统，设计具有高热性能的电路板都需要特别考虑。具体地说，我们将研究单板制造、布局、路由和热分析的方法，以保持您的单板表现凉爽。

PCB材料和电路板工作温度

快板堆叠管理显示一个四层板。改变介质材料可以获得更好的热性能。

在布置组件之前，必须考虑您的板的结构和材料，因为它在分配热量方面起着很大的作用。

如果你的板子在一个特别是炎热的环境，重要的是要知道材料的工作温度，特别是TG等级(玻璃化转变温度)。FR-4是最常见的PCB材料，在玻璃开始转化为液体状态之前，额定工作温度可达130度。如果你计划在更高的温度下工作，考虑使用不同的材料，如盛艺S1000-2, ARLON 85N，或ITEQ IT-180A。

在你的板产生特别大量的热量的情况下，使用替代基板与更高的导热系数是你最好的选择．例如，陶瓷具有更高的导热系数，它们的机械性能可以调节，这可以适应热循环中引入的应力。

表概述了PCB材料的热导率，包括FR4，氧化铝，氮化铝和氧化铍

与FR-4相比，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。其他混合材料，如聚四氟乙烯和非聚四氟乙烯热固性树脂系统与陶瓷填料也可以提供较低的介电损耗。

PCB的有效热导率取决于铜和玻璃环氧树脂的总厚度和个别厚度。使用金属核心为您的FR4或其他板可以帮助传输热量更快，由于金属的高导电性。铝或镀锌铜是常用的——铝比较便宜，但铜的热效率更高。为了加速散热，考虑使用保护涂层或其他封装材料。

PCB热性能设计

不同的电子元件具有不同的热足迹

知道如何选择特定的组件，热效率是至关重要的，以保持您的板在高温条件下运行

布局你的组件，同时牢记热的考虑是非常重要的寿命和功能，您的板。改善热性能的一些关键PCB设计考虑因素包括:

热敏元件

对温度特别敏感的部件应放置在温度最低的位置，如单板底部。确保它们远离发热效率高的部件(例如，频率晶体管，超大规模的集成电路，微处理器)。另一方面，这些产生热量的组件应该放置在具有最佳散热性能的位置(宽铜痕迹和多边形填充，我们将在下一节中深入研究)。将产生较少热量且对温度更敏感的无源元件放置在边缘附近高功率元件在中心．

高功率元件

高功率元件，如高功率电阻和稳压器，会产生大量的热量，把它们堆在一起会产生热点。分配你的高功率组件在整个板避免创建特定的热点．

组件选择

超过一半的热量产生是通过组件引线带来的。考虑使用金属镀孔并保持引线短。此外，在选择高功耗元件时，应选择截面积较大、引脚数较高的元件，以便更好地传热。使用螺丝安装PCB也可以允许热访问系统的基础，更有效地分配热量。

当在大电流下工作时，电阻、转换器、开关fet、驱动ic和控制ic等组件会产生局部温度升高。这些部件中的许多可能不是为在极端高温下工作而设计的，在工作温度下可能会损坏。当选择它们时，一定要验证组件的温度等级，以防止电路板过热和故障。

请记住，当组件变得更小，它们能够散发更少的热量。例如，SOT-23包中的MOSFET就较少散热面积与to -220封装MOSFET相比。

热性能路由和跟踪规范

你的PCB痕迹将不只是作为电流的传导元素，他们也将帮助转移热量从你的最热的组件。

痕迹长度和宽度

对于具有大电流的电源迹线，应使其尽可能短，并远离其他敏感电路。减少电流流过的长度可以使迹电感最小化，并减少可能产生的噪声。考虑以45度或圆角排列，而不是使用直角。同时，增加跟踪宽度，因为窄跟踪会导致性能下降。宽的磁道减少了电感和电阻，从而减少了发热。注意，改变轨迹几何形状会影响交流信号看到的轨迹阻抗。这可能导致需要这样做改变分层盘旋飞行保持阻抗与源和负载组件所需的预定义值相匹配。