一文了解PCB的有效導(dǎo)熱系數(shù)

什么是 PCB 有效導(dǎo)熱系數(shù)？“有效導(dǎo)熱系數(shù)”代表材料的傳導(dǎo)熱能力。當(dāng)我們談及 PCB 的有效導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，我們談?wù)摰氖?PCB 將器件產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到周圍區(qū)域的能力。有效導(dǎo)熱系數(shù)用 Keff 表示，單位是 W/m-K。

本文要點(diǎn)：

PCB 有效導(dǎo)熱系數(shù)的定義。

影響 PCB 有效導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)鍵因素。

了解熱模型中有效導(dǎo)熱系數(shù)的準(zhǔn)確度。

1. 什么是 PCB 有效導(dǎo)熱系數(shù)？“有效導(dǎo)熱系數(shù)”代表材料的傳導(dǎo)熱能力。當(dāng)我們談及 PCB 的有效導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，我們談?wù)摰氖?PCB 將器件產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到周圍區(qū)域的能力。有效導(dǎo)熱系數(shù)用 Keff 表示，單位是 W/m-K。

在 PCB 設(shè)計(jì)中，有效導(dǎo)熱系數(shù)是熱建模和分析中使用的一個(gè)重要參數(shù)，有助于工程師根據(jù)特定的假設(shè)和模型，預(yù)測(cè)一塊擺滿器件的 PCB 的導(dǎo)熱效果。隨著電子模塊的尺寸不斷縮小，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該關(guān)注有效導(dǎo)熱系數(shù)。

PCB 有效導(dǎo)熱系數(shù)反映了 PCB 的傳熱能力。

2. 影響 PCB 有效導(dǎo)熱系數(shù)的因素

一塊 PCB 包含導(dǎo)電材料、絕緣體和安裝的器件。PCB 中使用的每種材料都有不同的熱導(dǎo)率。在推導(dǎo) PCB 的有效導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，要考慮到不同的熱導(dǎo)率。

業(yè)界已經(jīng)進(jìn)行了各種研究來分析 PCB 的導(dǎo)熱系數(shù)。不同的研究使用了不同類型的模型和假設(shè)。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說，PCB 的有效導(dǎo)熱系數(shù)取決于以下幾項(xiàng)因素。

器件尺寸

隨著器件變得越來越小，自然散熱的能力也不斷下降。例如，與采用 TO-220 封裝的 MOSFET 相比，采用 SOT-23 封裝的 MOSFET 的導(dǎo)熱墊片面積會(huì)更小。因此，安裝在 PCB 上的器件的尺寸將影響其散熱能力。

熱過孔

熱過孔是一些有意放置的孔，用于將熱量從器件上散發(fā)出去。這類似于讓熱蒸汽有更多機(jī)會(huì)從粥里散發(fā)出去，而不是把它困在容器里。因此，一個(gè)區(qū)域內(nèi)的熱過孔越多，PCB 的有效導(dǎo)熱系數(shù)就越高。

散熱過孔密度會(huì)影響 PCB 的有效導(dǎo)熱系數(shù)。

內(nèi)部層

內(nèi)部銅層的存在也會(huì)改變散熱的速度和方向。銅的導(dǎo)熱系數(shù)為 355 W/m-K，而 FR-4 為 0.25 m-K。如果有多個(gè)銅內(nèi)層，PCB 的有效導(dǎo)熱系數(shù)就會(huì)下降。當(dāng)然，熱過孔有助于更有效地將熱量傳遞到內(nèi)層。

走線的幾何形狀

如果銅走線從頭到尾是連貫的，那么 PCB 的有效導(dǎo)熱系數(shù)就會(huì)很高。但是，如果走線中斷，有效導(dǎo)熱系數(shù)可能會(huì)下降，而這種情況在實(shí)際的 PCB 中時(shí)有發(fā)生。

3. 有效導(dǎo)熱系數(shù)是否有利于進(jìn)行準(zhǔn)確的 PCB 熱建模？

有效導(dǎo)熱系數(shù)易于計(jì)算，因此是分析時(shí)的首選。該參數(shù)通常是基于同構(gòu)的 PCB 模型。然而，PCB 很少是同構(gòu)的，尤其是多層 PCB。每層的器件排列、走線、銅面、過孔和焊盤都可能不一樣。

因此，從傳統(tǒng)模型中推導(dǎo)有效導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)有一定的誤差。為了更準(zhǔn)確地估計(jì)有效導(dǎo)熱系數(shù)，需要對(duì) PCB 的每一層進(jìn)行深入分析。然后對(duì)表面進(jìn)行像素化分析，以便更好地進(jìn)行預(yù)測(cè)。

PCB 有效導(dǎo)熱系數(shù)的準(zhǔn)確度取決于建模，而無論采用何種技術(shù)，建模的準(zhǔn)確度都取決于使用的軟件工具。

Cadence Celsius Thermal Solver 結(jié)合 FEA 與 CFD，能實(shí)現(xiàn)精確的電熱協(xié)同仿真和熱分析，并與用于 PCB/IC 封裝的 Sigrity 技術(shù)相集成，如備受大家熟知青睞的 Sigrity PowerDC 進(jìn)化為 Celsius PowerDC，助力設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)獲取更準(zhǔn)確的電熱仿真結(jié)果。