作者：Stefano Lovati
整個電力電子行業，包括射頻應用和涉及高速信號的系統，都在朝著在越來越小的空間內提供越來越復雜的功能的解決方案發展。設計人員在滿足系統尺寸、重量和功率等要求方面面臨著越來越苛刻的挑戰，其中包括有效的散熱管理，這又從PCB的設計開始。
高集成度的有源功率器件(例如MOSFET晶體管)會散發大量熱量，因此要求PCB能夠將熱量從最熱的元器件傳遞到地層或散熱表面，從而盡可能高效地運行。熱應力是功率器件故障的主要原因之一，因為它會導致性能下降，甚至可能導致系統失靈或故障。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。雖然寬禁帶材料等具有更低功率損耗和更好導熱性的半導體受到了越來越廣泛的使用，但其本身并不足以消除對有效散熱管理的需求。
目前硅基功率器件可實現的結溫在大約125℃和200℃之間。但是，最好始終讓器件工作不超過此極限條件，從而避免器件快速老化并縮短其剩余壽命。事實上，據估計，如果散熱管理不當導致工作溫度升高20℃，則由此導致的元器件剩余壽命減少將多達50%。
布局布線(layout)方法
許多項目中普遍采用的散熱管理方法是使用具有標準阻燃等級4級(FR-4)的基板，這是一種廉價且易于加工的材料，專注于電路layout的散熱優化。
主要采用的措施涉及提供額外的銅表面、使用更厚的走線，以及在產生最大熱量的元器件下方插入散熱孔。一種能散發更多熱量的更激進的技術，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”。在將銅幣單獨加工后，可將其焊接或直接貼附在PCB上，也可以將其插入內層，通過散熱孔與外層連接。圖1所示的PCB中制作了一個特殊的空腔來容納一枚銅幣。
圖1：帶有銅幣的PCB
銅的導熱系數為380W/mK，而鋁為225W/mK，FR-4為0.3W/mK。銅是一種相對便宜的金屬，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，是防止形成熱點的關鍵因素，從而就可確保熱量盡可能均勻地分布在整個電路板上。在這方面，應該將有源器件不按特定順序分布在PCB周圍，從而避免在特定區域形成熱點。但是，最好避免將產生大量熱量的有源器件放置在電路板邊緣附近。相反，應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，則熱量將會沿表面向各個方向散發，從而使溫度更容易降低，使熱量更容易散發。不應將功率器件靠近敏感元器件放置，彼此之間應適當間隔。
可通過采用有源冷卻和無源冷卻系統(例如散熱器或風扇)進一步改進在layout級別所采取的措施——這類系統可以將有源器件中的熱量除去，而不是直接將其散發到電路板中。一般來說，設計人員必須根據特定應用的要求和可用預算，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由于導熱率低(介于0.2和0.5W/mK之間)，通常不適合需要散發大量熱量的應用。大功率電路中所產生的熱量可能相當可觀，而且這些系統經常在惡劣的環境和極端溫度下運行。與使用傳統的FR-4相比，使用具有更高熱導率的替代基板材料，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勢。這類材料除了可提高導熱性外，還具有出色的機械性能，因而有助于補償重復熱循環過程中所積累的應力。此外，陶瓷材料在高達10GHz的頻率下具有較低的介電損耗。對于更高的頻率，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，但熱導率會適度降低。
材料的熱導率越高，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移出去的出色的解決方案。尤其是鋁還是一種優良的導體，具有優良的耐久性，可回收，并且無毒。由于熱導率高，金屬層有助于在整個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，而銅則具有更高的熱導率。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，它能夠將光從基板反射出去的特性還特別有用。
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，具有深度控制布線，借此就可將熱量從板載元器件轉移到不太重要的區域。在IMS PCB中，一層薄薄的導熱但電氣絕緣的電介質，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，金屬基底會通過該薄電介質從電路吸收熱量。
IMS PCB提供的主要優勢如下：
· 散熱明顯高于標準FR-4結構。
· 電介質的熱導率通常比普通環氧樹脂玻璃高5到10倍。
· 熱傳遞的效率比傳統PCB高得多。
除了LED技術(照明標志、顯示器和照明)之外，IMS電路板還廣泛用于汽車行業(前照燈、發動機控制和動力轉向)、電力電子(直流電源、逆變器和發動機控制)、開關和半導體繼電器等領域。 |
