一種大功率PCB散熱管理的方法
2022/8/3 10:16:17 點(diǎn)擊：
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(lái)越小的空間內(nèi)提供越來(lái)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、重量和功率等要求方面面臨著越來(lái)越苛刻的挑戰(zhàn)，其中包括有效的散熱管理，這又從PCB的設(shè)計(jì)開(kāi)始。
高集成度的有源功率器件(例如MOSFET晶體管)會(huì)散發(fā)大量熱量，因此要求PCB能夠?qū)崃繌淖顭岬脑骷鬟f到地層或散熱表面，從而盡可能高效地運(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)失靈或故障。器件功率密度的快速增長(zhǎng)和頻率的不斷提高，是造成電子元器件過(guò)熱的主要原因。雖然寬禁帶材料等具有更低功率損耗和更好導(dǎo)熱性的半導(dǎo)體受到了越來(lái)越廣泛的使用，但其本身并不足以消除對(duì)有效散熱管理的需求。
目前硅基功率器件可實(shí)現(xiàn)的結(jié)溫在大約125℃和200℃之間。但是，最好始終讓器件工作不超過(guò)此極限條件，從而避免器件快速老化并縮短其剩余壽命。事實(shí)上，據(jù)估計(jì)，如果散熱管理不當(dāng)導(dǎo)致工作溫度升高20℃，則由此導(dǎo)致的元器件剩余壽命減少將多達(dá)50%。
布局布線(layout)方法
許多項(xiàng)目中普遍采用的散熱管理方法是使用具有標(biāo)準(zhǔn)阻燃等級(jí)4級(jí)(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layout的散熱優(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)生最大熱量的元器件下方插入散熱孔。一種能散發(fā)更多熱量的更激進(jìn)的技術(shù)，包括把真正的銅塊插入到PCB或施加到最外層，這種銅塊通常呈硬幣形狀，因此得名“銅幣”。在將銅幣單獨(dú)加工后，可將其焊接或直接貼附在PCB上，也可以將其插入內(nèi)層，通過(guò)散熱孔與外層連接。圖1所示的PCB中制作了一個(gè)特殊的空腔來(lái)容納一枚銅幣。
圖1：帶有銅幣的PCB
銅的導(dǎo)熱系數(shù)為380W/mK，而鋁為225W/mK，F(xiàn)R-4為0.3W/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、散熱孔和地層的理想選擇——所有這些解決方案都能夠改善散熱。
電路板上有源器件的正確放置，是防止形成熱點(diǎn)的關(guān)鍵因素，從而就可確保熱量盡可能均勻地分布在整個(gè)電路板上。在這方面，應(yīng)該將有源器件不按特定順序分布在PCB周圍，從而避免在特定區(qū)域形成熱點(diǎn)。但是，最好避免將產(chǎn)生大量熱量的有源器件放置在電路板邊緣附近。相反，應(yīng)盡可能將它們靠近電路板的中心放置，從而有利于均勻的熱量分布。如果將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，如果將其放置在電路板中心附近，則熱量將會(huì)沿表面向各個(gè)方向散發(fā)，從而使溫度更容易降低，使熱量更容易散發(fā)。不應(yīng)將功率器件靠近敏感元器件放置，彼此之間應(yīng)適當(dāng)間隔。
可通過(guò)采用有源冷卻和無(wú)源冷卻系統(tǒng)(例如散熱器或風(fēng)扇)進(jìn)一步改進(jìn)在layout級(jí)別所采取的措施——這類系統(tǒng)可以將有源器件中的熱量除去，而不是直接將其散發(fā)到電路板中。一般來(lái)說(shuō)，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，在不同的散熱管理策略之間找到合適的折衷方案。
PCB基板選擇
FR-4由于導(dǎo)熱率低(介于0.2和0.5W/mK之間)，通常不適合需要散發(fā)大量熱量的應(yīng)用。大功率電路中所產(chǎn)生的熱量可能相當(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的散熱管理提供了顯著優(yōu)勢(shì)。這類材料除了可提高導(dǎo)熱性外，還具有出色的機(jī)械性能，因而有助于補(bǔ)償重復(fù)熱循環(huán)過(guò)程中所積累的應(yīng)力。此外，陶瓷材料在高達(dá)10GHz的頻率下具有較低的介電損耗。對(duì)于更高的頻率，則總是可以選擇混合材料(例如PTFE)，這類材料可提供同樣低的損耗，但熱導(dǎo)率會(huì)適度降低。
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，還提供了一種可以將熱量從元器件中轉(zhuǎn)移出去的出色的解決方案。尤其是鋁還是一種優(yōu)良的導(dǎo)體，具有優(yōu)良的耐久性，可回收，并且無(wú)毒。由于熱導(dǎo)率高，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的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(lái)看，鋁是最佳選擇，而銅則具有更高的熱導(dǎo)率。鋁還被廣泛用于制造支持大功率LED的PCB(如圖2中的示例所示)，其中，它能夠?qū)⒐鈴幕宸瓷涑鋈サ奶匦赃€特別有用。
圖2：用于大功率RGB LED的鋁PCB示例
甚至是銀，由于其熱導(dǎo)率比銅高約5%，也可用于制作走線、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，則在裸露的銅走線和銅焊盤上使用銀飾面將有助于防止腐蝕——這是在這類環(huán)境中已知的典型威脅。
金屬PCB也稱為絕緣金屬基板(IMS)，可以被直接層壓到PCB中，形成具有FR-4基板和金屬芯的板子。其中采用了單層和雙層技術(shù)，具有深度控制布線，借此就可將熱量從板載元器件轉(zhuǎn)移到不太重要的區(qū)域。在IMS PCB中，一層薄薄的導(dǎo)熱但電氣絕緣的電介質(zhì)，被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，金屬基底會(huì)通過(guò)該薄電介質(zhì)從電路吸收熱量。
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)的熱導(dǎo)率通常比普通環(huán)氧樹(shù)脂玻璃高5到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)之外，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(kāi)關(guān)和半導(dǎo)體繼電器等領(lǐng)域。
高集成度的有源功率器件(例如MOSFET晶體管)會(huì)散發(fā)大量熱量，因此要求PCB能夠?qū)崃繌淖顭岬脑骷鬟f到地層或散熱表面，從而盡可能高效地運(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)失靈或故障。器件功率密度的快速增長(zhǎng)和頻率的不斷提高，是造成電子元器件過(guò)熱的主要原因。雖然寬禁帶材料等具有更低功率損耗和更好導(dǎo)熱性的半導(dǎo)體受到了越來(lái)越廣泛的使用，但其本身并不足以消除對(duì)有效散熱管理的需求。
目前硅基功率器件可實(shí)現(xiàn)的結(jié)溫在大約125℃和200℃之間。但是，最好始終讓器件工作不超過(guò)此極限條件，從而避免器件快速老化并縮短其剩余壽命。事實(shí)上，據(jù)估計(jì)，如果散熱管理不當(dāng)導(dǎo)致工作溫度升高20℃，則由此導(dǎo)致的元器件剩余壽命減少將多達(dá)50%。
布局布線(layout)方法
許多項(xiàng)目中普遍采用的散熱管理方法是使用具有標(biāo)準(zhǔn)阻燃等級(jí)4級(jí)(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layout的散熱優(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)生最大熱量的元器件下方插入散熱孔。一種能散發(fā)更多熱量的更激進(jìn)的技術(shù)，包括把真正的銅塊插入到PCB或施加到最外層，這種銅塊通常呈硬幣形狀，因此得名“銅幣”。在將銅幣單獨(dú)加工后，可將其焊接或直接貼附在PCB上，也可以將其插入內(nèi)層，通過(guò)散熱孔與外層連接。圖1所示的PCB中制作了一個(gè)特殊的空腔來(lái)容納一枚銅幣。
圖1：帶有銅幣的PCB
銅的導(dǎo)熱系數(shù)為380W/mK，而鋁為225W/mK，F(xiàn)R-4為0.3W/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、散熱孔和地層的理想選擇——所有這些解決方案都能夠改善散熱。
電路板上有源器件的正確放置，是防止形成熱點(diǎn)的關(guān)鍵因素，從而就可確保熱量盡可能均勻地分布在整個(gè)電路板上。在這方面，應(yīng)該將有源器件不按特定順序分布在PCB周圍，從而避免在特定區(qū)域形成熱點(diǎn)。但是，最好避免將產(chǎn)生大量熱量的有源器件放置在電路板邊緣附近。相反，應(yīng)盡可能將它們靠近電路板的中心放置，從而有利于均勻的熱量分布。如果將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，如果將其放置在電路板中心附近，則熱量將會(huì)沿表面向各個(gè)方向散發(fā)，從而使溫度更容易降低，使熱量更容易散發(fā)。不應(yīng)將功率器件靠近敏感元器件放置，彼此之間應(yīng)適當(dāng)間隔。
可通過(guò)采用有源冷卻和無(wú)源冷卻系統(tǒng)(例如散熱器或風(fēng)扇)進(jìn)一步改進(jìn)在layout級(jí)別所采取的措施——這類系統(tǒng)可以將有源器件中的熱量除去，而不是直接將其散發(fā)到電路板中。一般來(lái)說(shuō)，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，在不同的散熱管理策略之間找到合適的折衷方案。
PCB基板選擇
FR-4由于導(dǎo)熱率低(介于0.2和0.5W/mK之間)，通常不適合需要散發(fā)大量熱量的應(yīng)用。大功率電路中所產(chǎn)生的熱量可能相當(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的散熱管理提供了顯著優(yōu)勢(shì)。這類材料除了可提高導(dǎo)熱性外，還具有出色的機(jī)械性能，因而有助于補(bǔ)償重復(fù)熱循環(huán)過(guò)程中所積累的應(yīng)力。此外，陶瓷材料在高達(dá)10GHz的頻率下具有較低的介電損耗。對(duì)于更高的頻率，則總是可以選擇混合材料(例如PTFE)，這類材料可提供同樣低的損耗，但熱導(dǎo)率會(huì)適度降低。
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，還提供了一種可以將熱量從元器件中轉(zhuǎn)移出去的出色的解決方案。尤其是鋁還是一種優(yōu)良的導(dǎo)體，具有優(yōu)良的耐久性，可回收，并且無(wú)毒。由于熱導(dǎo)率高，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的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(lái)看，鋁是最佳選擇，而銅則具有更高的熱導(dǎo)率。鋁還被廣泛用于制造支持大功率LED的PCB(如圖2中的示例所示)，其中，它能夠?qū)⒐鈴幕宸瓷涑鋈サ奶匦赃€特別有用。
圖2：用于大功率RGB LED的鋁PCB示例
甚至是銀，由于其熱導(dǎo)率比銅高約5%，也可用于制作走線、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，則在裸露的銅走線和銅焊盤上使用銀飾面將有助于防止腐蝕——這是在這類環(huán)境中已知的典型威脅。
金屬PCB也稱為絕緣金屬基板(IMS)，可以被直接層壓到PCB中，形成具有FR-4基板和金屬芯的板子。其中采用了單層和雙層技術(shù)，具有深度控制布線，借此就可將熱量從板載元器件轉(zhuǎn)移到不太重要的區(qū)域。在IMS PCB中，一層薄薄的導(dǎo)熱但電氣絕緣的電介質(zhì)，被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，金屬基底會(huì)通過(guò)該薄電介質(zhì)從電路吸收熱量。
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)的熱導(dǎo)率通常比普通環(huán)氧樹(shù)脂玻璃高5到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)之外，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(kāi)關(guān)和半導(dǎo)體繼電器等領(lǐng)域。
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