PCB布局方法與基板選擇

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、重量和功率要求方面面臨越來(lái)越苛刻的挑戰(zhàn)，其中包括有效的熱管理，從印刷電路板的設(shè)計(jì)開始。

高集成密度有源功率器件，例如MOSFET 晶體管，可以散發(fā)大量熱量，因此需要能夠?qū)崃繌淖顭岬慕M件傳遞到接地層或散熱表面的 PCB，并盡可能高效地運(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)故障或故障。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。越來(lái)越廣泛地使用具有降低功率損耗和更好導(dǎo)熱性的半導(dǎo)體，例如寬帶隙材料，其本身并不足以消除對(duì)有效熱管理的需求。

當(dāng)前基于硅的功率器件的結(jié)溫在大約 125°C 和 200°C 之間。但是，始終優(yōu)選使設(shè)備在此限制以下運(yùn)行，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致設(shè)備快速退化并縮短其剩余壽命。事實(shí)上，據(jù)估計(jì)，由于熱管理不當(dāng)而導(dǎo)致工作溫度升高 20°C，可將組件的剩余壽命減少多達(dá) 50%。

布局方法

許多項(xiàng)目中普遍采用的熱管理方法是使用具有標(biāo)準(zhǔn)阻燃等級(jí) 4 (FR-4) 的基板，這是一種廉價(jià)且易于加工的材料，專注于電路布局的熱優(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)生最大熱量的組件下方插入散熱孔。一種更積極的技術(shù)，能夠散發(fā)更多的熱量，包括插入 PCB 或在最外層施加真正的銅塊，通常呈硬幣形狀（因此得名“銅幣”）。銅幣單獨(dú)加工后焊接或直接貼附在PCB上，也可以插入內(nèi)層，通過(guò)熱通孔與外層連接。圖 1 顯示了一個(gè) PCB，其中制作了一個(gè)特殊的空腔來(lái)容納銅幣。

銅的導(dǎo)熱系數(shù)為 380 W/mK，而鋁為 225 W/mK，F(xiàn)R-4 為 0.3 W/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、散熱孔和接地層的理想選擇，所有解決方案都能夠改善散熱。

電路板上有源元件的正確定位是防止形成熱點(diǎn)的關(guān)鍵因素，從而確保熱量盡可能均勻地分布在整個(gè)電路板上。在這方面，有源元件應(yīng)在 PCB 周圍不按特定順序分布，以避免在特定區(qū)域形成熱點(diǎn)。但是，最好避免將產(chǎn)生大量熱量的有源元件放置在電路板邊緣附近。相反，它們應(yīng)盡可能靠近電路板的中心放置，有利于均勻的熱量分布。如果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，如果它被放置在棋盤中心附近，熱量會(huì)在表面四面八方散發(fā)，降低溫度，更容易散熱。功率器件不應(yīng)靠近敏感元件放置，彼此之間應(yīng)適當(dāng)間隔。

通過(guò)采用主動(dòng)或被動(dòng)冷卻系統(tǒng)（例如散熱器或風(fēng)扇）可以進(jìn)一步改進(jìn)在布局級(jí)別采取的措施，其功能是從有源組件中去除熱量，而不是直接將熱量散發(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)算在不同的熱管理策略之間找到合適的折衷方案。

PCB基板選擇

由于其低導(dǎo)熱率（介于 0.2 和 0.5 W/mK 之間），F(xiàn)R-4 通常不適合需要散發(fā)大量熱量的應(yīng)用。大功率電路中可能產(chǎn)生的熱量相當(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 的熱管理提供了顯著優(yōu)勢(shì)。除了提高導(dǎo)熱性外，這些材料還具有出色的機(jī)械性能，有助于補(bǔ)償重復(fù)熱循環(huán)過(guò)程中積累的應(yīng)力。此外，陶瓷材料在高達(dá) 10 GHz 的頻率下具有較低的介電損耗。對(duì)于更高的頻率，總是可以選擇混合材料（例如 PTFE），它們提供同樣低的損耗，同時(shí)適度降低熱導(dǎo)率。

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，還提供了一種出色的解決方案，可以將熱量從組件中轉(zhuǎn)移出去。鋁尤其是一種優(yōu)良的導(dǎo)體，具有優(yōu)良的耐久性，可回收，并且無(wú)毒。由于它們的高導(dǎo)熱性，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 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，而銅具有更高的導(dǎo)熱性。鋁廣泛用于構(gòu)建支持大功率 LED 的 PCB（示例如圖 2 所示），

即使是銀，由于其導(dǎo)熱率比銅高約 5%，也可用于制作軌道、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，則在裸露的銅跡線和焊盤上使用銀飾面將有助于防止腐蝕，這是在這些環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的典型威脅。

金屬 PCB 也稱為絕緣金屬基板 (IMS)，可以直接層壓到 PCB 中，形成具有 FR-4 基板和金屬芯的板，采用單層和雙層技術(shù)，具有深度控制布線，用于將熱量從板載組件轉(zhuǎn)移到不太重要的區(qū)域。在 IMS PCB 中，一層薄薄的導(dǎo)熱但電絕緣的電介質(zhì)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，金屬底座通過(guò)薄電介質(zhì)從該電路吸收熱量。

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)的導(dǎo)熱性通常是普通環(huán)氧樹脂玻璃的 5 倍至 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）、開關(guān)和半導(dǎo)體繼電器。