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PCB材料適配中的散熱性能與成本控制策略

  • 2025-06-19 11:22:00
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散熱壓力持續(xù)增加,材料選擇成為瓶頸


現(xiàn)在的電子設(shè)備,發(fā)熱越來(lái)越嚴(yán)重。芯片做得更密,功耗更高,但體積卻更小。散熱不好,系統(tǒng)溫度就容易升高。溫度高了,性能不穩(wěn)定,器件壽命也短。特別是一些高功率應(yīng)用,比如電源模塊、汽車電子、LED驅(qū)動(dòng)、服務(wù)器主板,這些場(chǎng)合對(duì)散熱要求更嚴(yán)格。

為了把熱量從芯片有效導(dǎo)出,PCB不只是一個(gè)載體,它本身也要具備導(dǎo)熱功能。材料的熱導(dǎo)率、熱膨脹性能、電氣性能、耐熱性能,都直接影響產(chǎn)品表現(xiàn)。過(guò)去大家都用普通FR-4材料,現(xiàn)在很多地方已經(jīng)開始改用高導(dǎo)熱材料,比如填充陶瓷粉的樹脂、金屬基板、低CTE高模量復(fù)合材料等。

但問題在這里。性能上去了,成本也上去了。導(dǎo)熱填料貴,加工難,良率低。企業(yè)很難只看性能不看價(jià)格。工程師必須在“性能好”和“價(jià)格低”之間做平衡。

所以,怎么選擇合適的PCB材料,在保證散熱效果的同時(shí)控制成本,就成了一個(gè)非常實(shí)際也非常棘手的問題。

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導(dǎo)熱能力受哪些材料特性影響

1. 材料導(dǎo)熱率是核心參數(shù)

熱從芯片傳到PCB,再?gòu)腜CB傳到散熱器或空氣。這整個(gè)過(guò)程的第一步就是看PCB本身能不能導(dǎo)熱。這個(gè)導(dǎo)熱能力的大小,就由材料的導(dǎo)熱率決定。單位是 W/m·K,越高越好。

普通FR-4只有0.30.5 W/m·K。陶瓷填充材料可以到14 W/m·K,金屬基板可以到10以上。熱導(dǎo)率差異非常大。

所以,如果要求熱走得快,材料導(dǎo)熱率必須足夠高。但導(dǎo)熱率越高,成本也越貴。

2. 導(dǎo)熱方向也很關(guān)鍵

有些材料導(dǎo)熱率高是因?yàn)闄M向?qū)?,比如在銅箔方向上熱傳導(dǎo)很快。但芯片熱主要是垂直穿過(guò)板厚傳導(dǎo)。材料如果只是橫向?qū)岷?,垂直?dǎo)熱差,那也不能很好解決實(shí)際問題。

比如多層板里,銅箔鋪得很多,但中間介質(zhì)層厚導(dǎo)熱差,就會(huì)形成“熱阻塞”。

所以材料的垂直導(dǎo)熱率才是核心指標(biāo)。這個(gè)參數(shù)通常比橫向小得多,但更貼近實(shí)際。

3. 界面熱阻也是決定因素

材料本身的導(dǎo)熱性能只是一個(gè)方面,材料和材料之間的連接也會(huì)有熱阻。比如銅箔和樹脂之間、樹脂和金屬之間、層壓過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡和雜質(zhì),都會(huì)影響熱的傳遞。

這就是界面熱阻。如果不同材料CTE差別太大,熱循環(huán)多了容易脫層或開裂,這會(huì)使界面熱阻變大,散熱性能就退化。

所以材料不僅導(dǎo)熱率要高,匹配性也要好,特別是和銅、焊料之間的熱膨脹系數(shù)要盡量接近。


為什么導(dǎo)熱性能越好,成本就越高

1. 填料本身價(jià)格高

導(dǎo)熱樹脂主要靠往里面加入無(wú)機(jī)填料,比如氧化鋁、氮化硼、氮化鋁等。這些粉體的價(jià)格比純樹脂貴很多。導(dǎo)熱率越高,填料比例越大,成本也就越高。

而且填料本身不是單一材料,粒徑分布、形狀、比表面積等都會(huì)影響填充效果和價(jià)格。高性能填料的采購(gòu)成本比普通材料高出幾倍甚至幾十倍。

2. 加工難度上升

填料多了以后,樹脂的流動(dòng)性會(huì)變差,層壓過(guò)程中容易產(chǎn)生氣孔。導(dǎo)熱材料常常比FR-4更容易出現(xiàn)分層、毛邊、內(nèi)應(yīng)力大等問題。對(duì)鉆孔、蝕刻、壓合等工序要求更高,導(dǎo)致良率下降。

而且設(shè)備磨損加快,生產(chǎn)節(jié)拍變慢,生產(chǎn)效率下降,也間接拉高了成本。

3. 特種材料需要專門認(rèn)證

比如一些高端陶瓷基板,或者加金屬芯的板材,屬于定制品。很多時(shí)候需要做阻燃認(rèn)證、可靠性測(cè)試、熱循環(huán)試驗(yàn)等。這些認(rèn)證需要專用樣品、實(shí)驗(yàn)費(fèi)用、時(shí)間成本,都會(huì)增加項(xiàng)目預(yù)算。

所以,提高導(dǎo)熱性能的同時(shí),成本壓力不可忽視。

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平衡散熱與成本的幾種技術(shù)策略

一、分區(qū)選材,重點(diǎn)區(qū)域用高導(dǎo)熱材料

整板都用高導(dǎo)熱材料,成本一定高。如果熱源只集中在某些區(qū)域,比如電源芯片、處理器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等區(qū)域,那就沒必要整板提升導(dǎo)熱率。

可以采用分區(qū)設(shè)計(jì)的方式:

  • 發(fā)熱集中區(qū)用高導(dǎo)熱填料層;

  • 非熱區(qū)用普通FR-4或低成本基材;

  • 用“導(dǎo)熱島”結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部熱處理。

這樣可以在不顯著增加整體成本的前提下,提升關(guān)鍵區(qū)域的熱性能。

二、優(yōu)化銅鋪設(shè)結(jié)構(gòu),利用銅層導(dǎo)熱

銅的導(dǎo)熱率非常高,大約是400 W/m·K。相比任何樹脂都高很多。所以合理利用銅層導(dǎo)熱,是最經(jīng)濟(jì)的方式。

可以采取以下做法:

  • 熱源下方鋪厚銅,連接多個(gè)內(nèi)層銅面;

  • 多層板中引入垂直熱通道(導(dǎo)熱過(guò)孔);

  • 增加銅箔面積,形成“熱擴(kuò)散板”效果;

  • 減少阻斷銅鋪設(shè)的分割縫和絕緣溝。

通過(guò)銅層把熱量擴(kuò)散到更大區(qū)域,也可以降低局部溫度。這樣不改變基材,也能達(dá)到比較好的散熱效果。

三、引入金屬芯或金屬背板結(jié)構(gòu)

在一些對(duì)散熱要求特別高的產(chǎn)品中,比如LED模組、電動(dòng)汽車控制器、功率變換器,導(dǎo)熱路徑不只是PCB內(nèi)部,還需要連接到外部金屬結(jié)構(gòu)。

這時(shí)可以引入以下結(jié)構(gòu):

  • 金屬基板(MCPCB):鋁或銅做為核心,導(dǎo)熱效果好;

  • 金屬嵌件板(IMS):只在特定區(qū)域嵌入金屬塊;

  • 散熱背板:PCB背面用鋁殼或者金屬塊貼合。

這類結(jié)構(gòu)雖然比FR-4貴一些,但比陶瓷板便宜很多。適合用于中高熱流密度產(chǎn)品,是一種成本和性能都能接受的方案。

四、評(píng)估熱通道而非單一材料

有時(shí)工程師會(huì)過(guò)于關(guān)注材料導(dǎo)熱率,但其實(shí)熱通道才是關(guān)鍵。一個(gè)導(dǎo)熱率高但通道短的材料,可能比一個(gè)導(dǎo)熱率稍低但通道連續(xù)的系統(tǒng)表現(xiàn)更好。

所以要關(guān)注:

  • 熱源和熱出口之間的幾何距離;

  • 每一段路徑的面積和厚度;

  • 是否存在熱阻斷層(比如氣泡、界面脫層);

  • 整體熱流走向是否順暢。

通過(guò)建模、熱阻網(wǎng)絡(luò)分析,可以找到最關(guān)鍵的瓶頸位置。只要優(yōu)化那一段材料或結(jié)構(gòu),其它部分可以保持低成本。

五、控制板厚和孔密度,避免過(guò)設(shè)計(jì)

有些產(chǎn)品為了追求導(dǎo)熱,采用了多層厚板結(jié)構(gòu)、密集盲孔通孔布局、超厚銅線路。但這不一定總是有效。盲目增加板厚和銅厚,會(huì)增加熱阻,也會(huì)提高材料和加工成本。

更有效的方式是:

  • 在關(guān)鍵路徑保持連續(xù)銅層;

  • 用少而精的過(guò)孔連接上下熱層;

  • 避免使用盲埋孔帶來(lái)的加工復(fù)雜度;

  • 控制銅層厚度在合理范圍(比如2oz以內(nèi))。

這樣可以在保證熱導(dǎo)通的同時(shí)降低成本和工藝難度。

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PCB材料的熱設(shè)計(jì),不是只追求極限性能。在大多數(shù)產(chǎn)品中,熱要求并不是無(wú)法滿足,而是“要在合理成本內(nèi)滿足”。所以,材料選擇不是絕對(duì),而是折中。

導(dǎo)熱率高固然好,但也要看熱源位置、功耗密度、面積大小、結(jié)構(gòu)布局等因素。不是導(dǎo)熱率越高越好,而是熱通道要順暢,關(guān)鍵路徑熱阻要小,整體溫度控制在目標(biāo)范圍就行。

在項(xiàng)目早期做熱阻建模,在設(shè)計(jì)過(guò)程中評(píng)估成本變化,在樣機(jī)測(cè)試中驗(yàn)證溫升是否達(dá)標(biāo)。通過(guò)這些方法,可以在性能和成本之間找到一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)。在捷配PCB,我們隨時(shí)為您的項(xiàng)目提供量身定制的高質(zhì)量 PCB 制造和組裝服務(wù),為您的旅程提供支持。