一文詳解PCB的熱管理和熱導(dǎo)率

隨著電子元件功率密度的增加，它們的工作結(jié)溫會超出極限，從而將更多的熱能消散到封裝、PCB和外殼上。電子元件散發(fā)的一小部分熱量通過引線和外殼傳遞到PCB，隨著功率密度的增加，這一份額也隨之增加。PCB的熱導(dǎo)率是影響電路板熱功率損耗耗散的重要因素。通過封裝、PCB和外殼的正確設(shè)計和材料選擇來優(yōu)化組件的熱特性至關(guān)重要。讓我們更詳細(xì)地討論PCB的熱管理和熱導(dǎo)率。

一、PCB熱處理

電子元件會產(chǎn)生熱能并將大量熱量散發(fā)到PCB上。諸如散熱器之類的熱管理技術(shù)通常用于加快從電子元件到環(huán)境的散熱速率。散熱器提供從結(jié)到外殼和外殼到環(huán)境的低熱阻，從而促進(jìn)熱傳遞。在為感興趣的電子元件指定散熱器時，通過PCB的熱能耗散變得很重要。PCB的熱特性對組件的工作結(jié)溫至關(guān)重要。隨著高功率密度和高速電子電路設(shè)計的普及，PCB的導(dǎo)熱性能更加關(guān)鍵。

二、PCB的熱導(dǎo)率

PCB是由銅箔和玻璃增強聚合物組成的分層結(jié)構(gòu)，它們將組件電氣連接并使用焊盤、導(dǎo)電跡線和通孔以機械方式支撐它們。高導(dǎo)熱銅箔夾在低導(dǎo)熱玻璃環(huán)氧樹脂層之間。銅形成PCB中的導(dǎo)電電路，而玻璃環(huán)氧樹脂層是非導(dǎo)電基板。

三、PCB導(dǎo)電材料

最常用的導(dǎo)電材料是銅。其他選擇包括鋁、鉻和鎳。最常用的非導(dǎo)電基材是FR-4層壓板。銅的導(dǎo)熱系數(shù)約為400W/m/K，F(xiàn)R-4的導(dǎo)熱系數(shù)為0.2W/m/K。銅充當(dāng)熱導(dǎo)體，層壓板充當(dāng)熱絕緣體。銅和FR-4的熱導(dǎo)率存在巨大差異，這使得PCB的有效熱導(dǎo)率各向異性。

四、PCB的有效平行和法向熱導(dǎo)率

開發(fā)PCB內(nèi)的熱傳遞模型非常重要，因為PCB中的散熱會嚴(yán)重影響最高電路板溫度和組件工作溫度。為了預(yù)測到PCB的熱傳遞，PCB被建模為具有兩個有效熱導(dǎo)率的單個單元。假設(shè)通過PCB的復(fù)合層進(jìn)行一維熱傳導(dǎo)并忽略銅和玻璃環(huán)氧樹脂層之間的熱常數(shù)電阻，獲得的有效熱導(dǎo)率為：

（1）有效平行熱導(dǎo)率：描述PCB板平面內(nèi)的熱流。

（2）有效法向熱導(dǎo)率：描述通過PCB板厚度的熱流。

PCB的有效平行和法向熱導(dǎo)率取決于PCB的總厚度以及銅層和玻璃環(huán)氧樹脂層的厚度。PCB的熱導(dǎo)率對信號層中存在的銅量很敏感。類似地，有效熱導(dǎo)率在內(nèi)部銅層的存在及其到頂層的距離下會有所不同。

讓我們看一個具體的例子：頂層有銅的PCB。頂層的銅會導(dǎo)致熱量在大面積上擴散。它提供了一條低電阻路徑，可防止熱量散發(fā)到PCB板中。對于頂層有銅和沒有銅的PCB，有效平行和正常熱導(dǎo)率的值是不同的，從而使兩種情況下PCB的有效總熱導(dǎo)率不同。

我們可以得出結(jié)論，層的放置、元件尺寸和操作條件對PCB的有效導(dǎo)熱率有重大影響，使其成為PCB設(shè)計中的關(guān)鍵要素。電路設(shè)計工程師必須將熱導(dǎo)率作為決定設(shè)計過程中電路板散熱方式的關(guān)鍵因素。