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低热阻PCB电路板设计


风扇和散热器通常是任何热管理的一部分,但您也应该设计成低热阻。这就要求选择正确的材料或大量使用额外的铜,以提供一条低电阻路径,使热量远离关键部件。您可以通过以下几种方法实现低热阻PCB设计,并确保电路板处于安全的温度范围内。
什么是PCB热阻?
有时会使用术语“热导率”代替术语“热阻”,但是这两个数量并不相同。PCB热阻是电阻的热力学模拟。它取决于基板材料,组件和铜特征的热导率,以及所有这些元素的几何形状。具有较高导热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,因此该板将具有较低的热阻。
电路板上的各种材料和组件将具有不同的导热率,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每个元素的热阻。如果愿意,您可以构建电路模型,利用每个组件的热阻来找到电路板的总热阻,就像电阻一样。这样,高热阻基板(通常为FR4)和低热阻导体(铜)的组合决定了PCB的有效热导率和总热阻。
降低热阻的PCB电路板设计
如果从上述讨论中看不出来,降低热阻的好方法是使用更多具有高导热率的材料。这是带有高温组件的电路板应使用内部平面层的原因之一。平面层中使用的铜具有很高的导热系数,因此它为热量从热组件移走提供了一条低电阻路径。如果要设计用于高速或高频的电路板,则无论如何都应使用内部电源/接地层,因为这有助于隔离并可以屏蔽来自外部源的辐射EMI。
将铜焊盘放在热的部件下面是将热量从表面层带走的另一种方法。这些焊盘通常包含连接到内部接地层的过孔,从而为这些组件提供图像屏蔽。具有裸片附接的散热片的组件应直接焊接到散热垫上,以尽量地将热量从组件散走。设计这些焊盘时要小心,因为放置的过大/太多的过孔会在组装过程中使焊料芯吸到板的背面。与制造商装配厂联系以了解其功能是一个好主意。散热垫中的过孔。调整这些通孔的大小并定义它们之间的间距时要小心。
降低热阻的另一种主要方法是使用较重的铜。如果您知道您的电路板必须在更高的电流下运行,则无论如何都应使用较重的铜缆;尽管可能很难使基于IPC 2152的PCB设计与阻抗控制要求保持一致。
使用替代性基板材料进行增压散热的PCB设计
FR4薄片与其他基材相比具有较低的导热率,因此具有较高的热阻,这促使在热组件上使用导热垫。陶瓷和金属芯PCB等替代基板是热管理的一种有吸引力的选择。两种材料都具有较高的整体导热率,从而可以在不使用导热垫和通孔到电路板背面的情况下,将热量快速从器件中移走。
FR4的导热系数约为1.0 W /(mK),其他与高频兼容的层压板(例如Rogers和Isola材料)的导热系数相似。相比之下,陶瓷材料的导热率范围从20到300 W /(mK),使其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电路板上庞大的散热器或嘈杂的风扇。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具有其他优点和缺点。尽管陶瓷材料具有很高的强度,但它们很脆并且容易破裂,而FR4则非常柔软。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。这样可以减少操作过程中细线迹和通孔上的热应力。陶瓷的材料特性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活跃领域。
金属芯PCB是FR4基板的另一种选择。这种类型的基板使用金属板(通常是铝)作为芯。该磁芯可以连接到附近的接地层,从而提供一层额外的EMI屏蔽层。金属芯还具有较高的机械强度和较低的热阻,同时仍具有柔韧性。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,然后将该板连接到大型金属外壳上。这提供了远离电路板的很高的散热。铝芯具有较低热阻和较高的结构强度。
2021-03-11
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