低熱阻PCB設計

風扇和散熱器通常是任何熱管理的一部分，但您也應該設計成低熱阻。這就要求選擇正確的材料或大量使用額外的銅，以提供一條低電阻路徑，使熱量遠離關鍵部件。您可以通過以下幾種方法實現低熱阻PCB設計，并確保電路板處于安全的溫度范圍內。
什么是PCB熱阻？
有時會使用術語“熱導率”代替術語“熱阻”，但是這兩個數量并不相同。PCB熱阻是電阻的熱力學模擬。它取決于基板材料，組件和銅特征的熱導率，以及所有這些元素的幾何形狀。具有較高導熱率的板允許熱量以更快的速度從較熱的區域移動到較冷的區域，因此該板將具有較低的熱阻。
電路板上的各種材料和組件將具有不同的導熱率，因此它們將以不同的速率傳導熱量。電路板的整體熱阻需要考慮每個元素的熱阻。如果愿意，您可以構建電路模型，利用每個組件的熱阻來找到電路板的總熱阻，就像電阻一樣。這樣，高熱阻基板（通常為FR4）和低熱阻導體（銅）的組合決定了PCB的有效熱導率和總熱阻。
降低熱阻的PCB設計
如果從上述討論中看不出來，降低熱阻的好方法是使用更多具有高導熱率的材料。這是帶有高溫組件的電路板應使用內部平面層的原因之一。平面層中使用的銅具有很高的導熱系數，因此它為熱量從熱組件移走提供了一條低電阻路徑。如果要設計用于高速或高頻的電路板，則無論如何都應使用內部電源/接地層，因為這有助于隔離并可以屏蔽來自外部源的輻射EMI。
將銅焊盤放在熱的部件下面是將熱量從表面層帶走的另一種方法。這些焊盤通常包含連接到內部接地層的過孔，從而為這些組件提供圖像屏蔽。具有裸片附接的散熱片的組件應直接焊接到散熱墊上，以盡量地將熱量從組件散走。設計這些焊盤時要小心，因為放置的過大/太多的過孔會在組裝過程中使焊料芯吸到板的背面。與制造商裝配廠聯系以了解其功能是一個好主意。散熱墊中的過孔。調整這些通孔的大小并定義它們之間的間距時要小心。
降低熱阻的另一種主要方法是使用較重的銅。如果您知道您的電路板必須在更高的電流下運行，則無論如何都應使用較重的銅纜；盡管可能很難使基于IPC 2152的PCB設計與阻抗控制要求保持一致。
使用替代性基板材料進行增壓散熱的PCB設計
FR4薄片與其他基材相比具有較低的導熱率，因此具有較高的熱阻，這促使在熱組件上使用導熱墊。陶瓷和金屬芯PCB等替代基板是熱管理的一種有吸引力的選擇。兩種材料都具有較高的整體導熱率，從而可以在不使用導熱墊和通孔到電路板背面的情況下，將熱量快速從器件中移走。
FR4的導熱系數約為1.0 W /（mK），其他與高頻兼容的層壓板（例如Rogers和Isola材料）的導熱系數相似。相比之下，陶瓷材料的導熱率范圍從20到300 W /（mK），使其非常適合與熱組件一起使用，或放置在靠近其他熱源的系統中。陶瓷基板的高導熱性可以消除電路板上龐大的散熱器或嘈雜的風扇。用于PCB的常見陶瓷包括氧化鋁，氮化鋁，氮化硼和碳化硅。
陶瓷PCB具有其他優點和缺點。盡管陶瓷材料具有很高的強度，但它們很脆并且容易破裂，而FR4則非常柔軟。陶瓷材料的熱膨脹系數已經比FR4或其他纖維編織基材更接近銅的熱膨脹系數。這樣可以減少操作過程中細線跡和通孔上的熱應力。陶瓷的材料特性也可以通過使用各種添加劑來調節。這仍然是材料科學研究的活躍領域。
金屬芯PCB是FR4基板的另一種選擇。這種類型的基板使用金屬板（通常是鋁）作為芯。該磁芯可以連接到附近的接地層，從而提供一層額外的EMI屏蔽層。金屬芯還具有較高的機械強度和較低的熱阻，同時仍具有柔韌性。與陶瓷材料相比，這些板不易斷裂。鋁芯PCB通常用于大功率LED照明系統，然后將該板連接到大型金屬外殼上。這提供了遠離電路板的很高的散熱。鋁芯具有較低熱阻和較高的結構強度。
無論您是在FR4，陶瓷還是金屬芯基板上進行設計，如果您希望電路板具有低熱阻，就需要專業的PCB設計公司。
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