低熱阻PCB設(shè)計
風(fēng)扇和散熱器通常是任何熱管理的一部分，但您也應(yīng)該設(shè)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(guān)鍵部件。您可以通過以下幾種方法實現(xiàn)低熱阻PCB設(shè)計，并確保電路板處于安全的溫度范圍內(nèi)。
什么是PCB熱阻？
有時會使用術(shù)語“熱導(dǎo)率”代替術(shù)語“熱阻”，但是這兩個數(shù)量并不相同。PCB熱阻是電阻的熱力學(xué)模擬。它取決于基板材料，組件和銅特征的熱導(dǎo)率，以及所有這些元素的幾何形狀。具有較高導(dǎo)熱率的板允許熱量以更快的速度從較熱的區(qū)域移動到較冷的區(qū)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(dǎo)熱率，因此它們將以不同的速率傳導(dǎo)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(gòu)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(dǎo)體（銅）的組合決定了PCB的有效熱導(dǎo)率和總熱阻。
降低熱阻的PCB設(shè)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(dǎo)熱率的材料。這是帶有高溫組件的電路板應(yīng)使用內(nèi)部平面層的原因之一。平面層中使用的銅具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)，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(shè)計用于高速或高頻的電路板，則無論如何都應(yīng)使用內(nèi)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(nèi)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(yīng)直接焊接到散熱墊上，以盡量地將熱量從組件散走。設(shè)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(lián)系以了解其功能是一個好主意。散熱墊中的過孔。調(diào)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(yīng)使用較重的銅纜；盡管可能很難使基于IPC 2152的PCB設(shè)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(shè)計
FR4薄片與其他基材相比具有較低的導(dǎo)熱率，因此具有較高的熱阻，這促使在熱組件上使用導(dǎo)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(dǎo)熱率，從而可以在不使用導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)相似。相比之下，陶瓷材料的導(dǎo)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(tǒng)中。陶瓷基板的高導(dǎo)熱性可以消除電路板上龐大的散熱器或嘈雜的風(fēng)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(yōu)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(shù)已經(jīng)比FR4或其他纖維編織基材更接近銅的熱膨脹系數(shù)。這樣可以減少操作過程中細線跡和通孔上的熱應(yīng)力。陶瓷的材料特性也可以通過使用各種添加劑來調(diào)節(jié)。這仍然是材料科學(xué)研究的活躍領(lǐng)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(tǒng)，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(jié)構(gòu)強度。
無論您是在FR4，陶瓷還是金屬芯基板上進行設(shè)計，如果您希望電路板具有低熱阻，就需要專業(yè)的PCB設(shè)計公司。
豐樂壹博專業(yè)PCB設(shè)計、PCB Layout、PCBA一站式生產(chǎn)。
什么是PCB熱阻？
有時會使用術(shù)語“熱導(dǎo)率”代替術(shù)語“熱阻”，但是這兩個數(shù)量并不相同。PCB熱阻是電阻的熱力學(xué)模擬。它取決于基板材料，組件和銅特征的熱導(dǎo)率，以及所有這些元素的幾何形狀。具有較高導(dǎo)熱率的板允許熱量以更快的速度從較熱的區(qū)域移動到較冷的區(qū)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(dǎo)熱率，因此它們將以不同的速率傳導(dǎo)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(gòu)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(dǎo)體（銅）的組合決定了PCB的有效熱導(dǎo)率和總熱阻。
降低熱阻的PCB設(shè)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(dǎo)熱率的材料。這是帶有高溫組件的電路板應(yīng)使用內(nèi)部平面層的原因之一。平面層中使用的銅具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)，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(shè)計用于高速或高頻的電路板，則無論如何都應(yīng)使用內(nèi)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(nèi)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(yīng)直接焊接到散熱墊上，以盡量地將熱量從組件散走。設(shè)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(lián)系以了解其功能是一個好主意。散熱墊中的過孔。調(diào)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(yīng)使用較重的銅纜；盡管可能很難使基于IPC 2152的PCB設(shè)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(shè)計
FR4薄片與其他基材相比具有較低的導(dǎo)熱率，因此具有較高的熱阻，這促使在熱組件上使用導(dǎo)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(dǎo)熱率，從而可以在不使用導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)相似。相比之下，陶瓷材料的導(dǎo)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(tǒng)中。陶瓷基板的高導(dǎo)熱性可以消除電路板上龐大的散熱器或嘈雜的風(fēng)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(yōu)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(shù)已經(jīng)比FR4或其他纖維編織基材更接近銅的熱膨脹系數(shù)。這樣可以減少操作過程中細線跡和通孔上的熱應(yīng)力。陶瓷的材料特性也可以通過使用各種添加劑來調(diào)節(jié)。這仍然是材料科學(xué)研究的活躍領(lǐng)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(tǒng)，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(jié)構(gòu)強度。
無論您是在FR4，陶瓷還是金屬芯基板上進行設(shè)計，如果您希望電路板具有低熱阻，就需要專業(yè)的PCB設(shè)計公司。
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