一種高功率 PCB 熱管理的方法

整個(gè)電力電子行業(yè)，包括射頻應(yīng)用和涉及高速信號(hào)的系統(tǒng)，都在朝著在越來越小的空間內(nèi)提供越來越復(fù)雜的功能的解決方案發(fā)展。設(shè)計(jì)人員在滿足系統(tǒng)尺寸、重量和功率要求方面面臨越來越苛刻的挑戰(zhàn)，其中包括有效的熱管理，從印刷電路板的設(shè)計(jì)開始。

高集成密度有源功率器件，例如MOSFET 晶體管，可以散發(fā)大量熱量，因此需要能夠?qū)崃繌淖顭岬慕M件傳遞到接地層或散熱表面的 PCB，并盡可能高效地運(yùn)行。熱應(yīng)力是功率器件故障的主要原因之一，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致性能下降，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障或故障。器件功率密度的快速增長和頻率的不斷提高是造成電子元器件過熱的主要原因。越來越廣泛地使用具有降低功率損耗和更好導(dǎo)熱性的半導(dǎo)體，例如寬帶隙材料，其本身并不足以消除對(duì)有效熱管理的需求。

當(dāng)前基于硅的功率器件的結(jié)溫在大約 125°C 和 200°C 之間。但是，始終優(yōu)選使設(shè)備在此限制以下運(yùn)行，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致設(shè)備快速退化并縮短其剩余壽命。事實(shí)上，據(jù)估計(jì)，由于熱管理不當(dāng)而導(dǎo)致工作溫度升高 20°C，可將組件的剩余壽命減少多達(dá) 50%。

布局方法

許多項(xiàng)目中普遍采用的熱管理方法是使用具有標(biāo)準(zhǔn)阻燃等級(jí) 4 (FR-4) 的基板，這是一種廉價(jià)且易于加工的材料，專注于電路布局的熱優(yōu)化。

主要采用的措施涉及提供額外的銅表面、使用更厚的走線以及在產(chǎn)生最大熱量的組件下方插入散熱孔。一種更激進(jìn)的技術(shù)，能夠散發(fā)更多的熱量，包括插入 PCB 或在最外層施加真正的銅塊，通常呈硬幣形狀(因此得名“銅幣”)。銅幣單獨(dú)加工后焊接或直接貼附在PCB上，也可以插入內(nèi)層，通過熱通孔與外層連接。

銅的導(dǎo)熱系數(shù)為 380 W/mK，而鋁為 225 W/mK，F(xiàn)R-4 為 0.3 W/mK。銅是一種相對(duì)便宜的金屬，已廣泛用于 PCB 制造;因此，它是制作銅幣、散熱孔和接地層的理想選擇，所有解決方案都能夠改善散熱。

電路板上有源元件的正確定位是防止形成熱點(diǎn)的關(guān)鍵因素，從而確保熱量盡可能均勻地分布在整個(gè)電路板上。在這方面，有源元件應(yīng)在 PCB 周圍不按特定順序分布，以避免在特定區(qū)域形成熱點(diǎn)。但是，最好避免將產(chǎn)生大量熱量的有源元件放置在電路板邊緣附近。相反，它們應(yīng)盡可能靠近電路板的中心放置，有利于均勻的熱量分布。如果大功率器件安裝在電路板邊緣附近，則會(huì)在邊緣積聚熱量，從而增加局部溫度。另一方面，如果它被放置在棋盤中心附近，熱量會(huì)在表面四面八方散發(fā)，降低溫度，更容易散熱。功率器件不應(yīng)靠近敏感元件放置，彼此之間應(yīng)適當(dāng)間隔。

通過采用主動(dòng)或被動(dòng)冷卻系統(tǒng)(例如散熱器或風(fēng)扇)可以進(jìn)一步改進(jìn)在布局級(jí)別采取的措施，其功能是從有源組件中去除熱量，而不是直接將熱量散發(fā)到電路板中。一般來說，設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)特定應(yīng)用的要求和可用預(yù)算在不同的熱管理策略之間找到合適的折衷方案。

PCB基板選擇

由于其低導(dǎo)熱率(介于 0.2 和 0.5 W/mK 之間)，F(xiàn)R-4 通常不適合需要散發(fā)大量熱量的應(yīng)用。大功率電路中可能產(chǎn)生的熱量相當(dāng)可觀，而且這些系統(tǒng)經(jīng)常在惡劣的環(huán)境和極端溫度下運(yùn)行。與使用傳統(tǒng)的 FR-4 相比，使用具有更高熱導(dǎo)率的替代基板材料可能是更好的選擇。

例如，陶瓷材料為大功率 PCB 的熱管理提供了顯著優(yōu)勢(shì)。除了提高導(dǎo)熱性外，這些材料還具有出色的機(jī)械性能，有助于補(bǔ)償重復(fù)熱循環(huán)過程中積累的應(yīng)力。此外，陶瓷材料在高達(dá) 10 GHz 的頻率下具有較低的介電損耗。對(duì)于更高的頻率，總是可以選擇混合材料(例如 PTFE)，它們提供同樣低的損耗，同時(shí)適度降低熱導(dǎo)率。

材料的熱導(dǎo)率越高，傳熱越快。因此，鋁等金屬除了比陶瓷更輕外，還提供了一種出色的解決方案，可以將熱量從組件中轉(zhuǎn)移出去。鋁尤其是一種優(yōu)良的導(dǎo)體，具有優(yōu)良的耐久性，可回收，并且無毒。由于它們的高導(dǎo)熱性，金屬層有助于在整個(gè)電路板上快速傳遞熱量。一些制造商還提供金屬包覆 PCB，其中兩個(gè)外層都是金屬包覆的，通常是鋁或鍍鋅銅。從單位重量成本的角度來看，鋁是最佳選擇，而銅具有更高的導(dǎo)熱性。鋁廣泛用于構(gòu)建支持大功率 LED 的 PCB，

即使是銀，由于其導(dǎo)熱率比銅高約 5%，也可用于制作軌道、通孔、焊盤和金屬層。此外，如果電路板在存在有毒氣體的潮濕環(huán)境中使用，則在裸露的銅跡線和焊盤上使用銀飾面將有助于防止腐蝕，這是在這些環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的典型威脅。

金屬 PCB 也稱為絕緣金屬基板 (IMS)，可以直接層壓到 PCB 中，形成具有 FR-4 基板和金屬芯的板，采用單層和雙層技術(shù)，具有深度控制布線，用于將熱量從板載組件轉(zhuǎn)移到不太重要的區(qū)域。在 IMS PCB 中，一層薄薄的導(dǎo)熱但電絕緣的電介質(zhì)層壓在金屬基底和銅箔之間。銅箔被蝕刻成所需的電路圖案，金屬底座通過薄電介質(zhì)從該電路吸收熱量。

IMS PCB 提供的主要優(yōu)勢(shì)如下：

· 散熱明顯高于標(biāo)準(zhǔn) FR-4 結(jié)構(gòu)。

· 電介質(zhì)的導(dǎo)熱性通常是普通環(huán)氧樹脂玻璃的 5 倍至 10 倍。

· 熱傳遞的效率比傳統(tǒng) PCB 高得多。

除了 LED 技術(shù)(照明標(biāo)志、顯示器和照明)，IMS 電路板還廣泛用于汽車行業(yè)(前照燈、發(fā)動(dòng)機(jī)控制和動(dòng)力轉(zhuǎn)向)、電力電子(直流電源、逆變器和發(fā)動(dòng)機(jī)控制)、開關(guān)和半導(dǎo)體繼電器。