一种高功率 PCB 热管理的方法

整个电力电子行业，包括射频应用和涉及高速信号的系统，都在朝着在越来越小的空间内提供越来越复杂的功能的解决方案发展。设计人员在满足系统尺寸、重量和功率要求方面面临越来越苛刻的挑战，其中包括有效的热管理，从印刷电路板的设计开始。

高集成密度有源功率器件，例如MOSFET 晶体管，可以散发大量热量，因此需要能够将热量从最热的组件传递到接地层或散热表面的 PCB，并尽可能高效地运行。热应力是功率器件故障的主要原因之一，因为它会导致性能下降，甚至可能导致系统故障或故障。器件功率密度的快速增长和频率的不断提高是造成电子元器件过热的主要原因。越来越广泛地使用具有降低功率损耗和更好导热性的半导体，例如宽带隙材料，其本身并不足以消除对有效热管理的需求。

当前基于硅的功率器件的结温在大约 125°C 和 200°C 之间。但是，始终优选使设备在此限制以下运行，因为这会导致设备快速退化并缩短其剩余寿命。事实上，据估计，由于热管理不当而导致工作温度升高 20°C，可将组件的剩余寿命减少多达 50%。

布局方法

许多项目中普遍采用的热管理方法是使用具有标准阻燃等级 4 (FR-4) 的基板，这是一种廉价且易于加工的材料，专注于电路布局的热优化。

主要采用的措施涉及提供额外的铜表面、使用更厚的走线以及在产生最大热量的组件下方插入散热孔。一种更激进的技术，能够散发更多的热量，包括插入 PCB 或在最外层施加真正的铜块，通常呈硬币形状(因此得名“铜币”)。铜币单独加工后焊接或直接贴附在PCB上，也可以插入内层，通过热通孔与外层连接。

铜的导热系数为 380 W/mK，而铝为 225 W/mK，FR-4 为 0.3 W/mK。铜是一种相对便宜的金属，已广泛用于 PCB 制造;因此，它是制作铜币、散热孔和接地层的理想选择，所有解决方案都能够改善散热。

电路板上有源元件的正确定位是防止形成热点的关键因素，从而确保热量尽可能均匀地分布在整个电路板上。在这方面，有源元件应在 PCB 周围不按特定顺序分布，以避免在特定区域形成热点。但是，最好避免将产生大量热量的有源元件放置在电路板边缘附近。相反，它们应尽可能靠近电路板的中心放置，有利于均匀的热量分布。如果大功率器件安装在电路板边缘附近，则会在边缘积聚热量，从而增加局部温度。另一方面，如果它被放置在棋盘中心附近，热量会在表面四面八方散发，降低温度，更容易散热。功率器件不应靠近敏感元件放置，彼此之间应适当间隔。

通过采用主动或被动冷却系统(例如散热器或风扇)可以进一步改进在布局级别采取的措施，其功能是从有源组件中去除热量，而不是直接将热量散发到电路板中。一般来说，设计人员必须根据特定应用的要求和可用预算在不同的热管理策略之间找到合适的折衷方案。

PCB基板选择

由于其低导热率(介于 0.2 和 0.5 W/mK 之间)，FR-4 通常不适合需要散发大量热量的应用。大功率电路中可能产生的热量相当可观，而且这些系统经常在恶劣的环境和极端温度下运行。与使用传统的 FR-4 相比，使用具有更高热导率的替代基板材料可能是更好的选择。

例如，陶瓷材料为大功率 PCB 的热管理提供了显着优势。除了提高导热性外，这些材料还具有出色的机械性能，有助于补偿重复热循环过程中积累的应力。此外，陶瓷材料在高达 10 GHz 的频率下具有较低的介电损耗。对于更高的频率，总是可以选择混合材料(例如 PTFE)，它们提供同样低的损耗，同时适度降低热导率。

材料的热导率越高，传热越快。因此，铝等金属除了比陶瓷更轻外，还提供了一种出色的解决方案，可以将热量从组件中转移出去。铝尤其是一种优良的导体，具有优良的耐久性，可回收，并且无毒。由于它们的高导热性，金属层有助于在整个电路板上快速传递热量。一些制造商还提供金属包覆 PCB，其中两个外层都是金属包覆的，通常是铝或镀锌铜。从单位重量成本的角度来看，铝是最佳选择，而铜具有更高的导热性。铝广泛用于构建支持大功率 LED 的 PCB，

即使是银，由于其导热率比铜高约 5%，也可用于制作轨道、通孔、焊盘和金属层。此外，如果电路板在存在有毒气体的潮湿环境中使用，则在裸露的铜迹线和焊盘上使用银饰面将有助于防止腐蚀，这是在这些环境中发现的典型威胁。

金属 PCB 也称为绝缘金属基板 (IMS)，可以直接层压到 PCB 中，形成具有 FR-4 基板和金属芯的板，采用单层和双层技术，具有深度控制布线，用于将热量从板载组件转移到不太重要的区域。在 IMS PCB 中，一层薄薄的导热但电绝缘的电介质层压在金属基底和铜箔之间。铜箔被蚀刻成所需的电路图案，金属底座通过薄电介质从该电路吸收热量。

IMS PCB 提供的主要优势如下：

· 散热明显高于标准 FR-4 结构。

· 电介质的导热性通常是普通环氧树脂玻璃的 5 倍至 10 倍。

· 热传递的效率比传统 PCB 高得多。

除了 LED 技术(照明标志、显示器和照明)，IMS 电路板还广泛用于汽车行业(前照灯、发动机控制和动力转向)、电力电子(直流电源、逆变器和发动机控制)、开关和半导体继电器。