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在當(dāng)今快速發(fā)展的電子行業(yè)中，處理器、LED 和功率晶體管等高功率組件正在突破印刷電路板 （PCB） 的極限。這些組件會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如果管理不當(dāng)，會(huì)降低性能、縮短使用壽命或?qū)е聫氐坠收?。PCB 中的有效熱管理對(duì)于確保從電動(dòng)汽車到數(shù)據(jù)中心的大功率電子產(chǎn)品的可靠性和效率至關(guān)重要。在這篇博客中，我們探討了散熱的挑戰(zhàn)、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)和先進(jìn)的解決方案，以使您的 PCB 在壓力下保持涼爽。

為什么熱管理在大功率 PCB 中很重要

MOSFET、IGBT 和高性能 CPU 等大功率電子設(shè)備可以消散超過(guò) 100 W/cm2 的熱通量。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)臒峁芾?，這種熱量會(huì)導(dǎo)致幾個(gè)問(wèn)題：

- 縮短組件使用壽命：正如德州儀器 （TI） 所指出的那樣，溫度每升高 10°C 就會(huì)使元件的使用壽命縮短多達(dá) 50%。過(guò)熱會(huì)加速材料降解并削弱焊點(diǎn)。
- 性能下降：高溫會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的行為和潛在的故障。
- 熱應(yīng)力：元件和 PCB 之間的熱膨脹系數(shù) （CTE） 差異會(huì)引起機(jī)械應(yīng)力，從而產(chǎn)生裂紋或分層。
- 安全風(fēng)險(xiǎn)：過(guò)熱會(huì)造成火災(zāi)危險(xiǎn)或損壞周圍系統(tǒng)，尤其是在緊湊型設(shè)計(jì)中。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，工程師必須設(shè)計(jì)出能夠在保持電氣性能的同時(shí)有效散熱的 PCB。小型化趨勢(shì)，即組件封裝在更小的封裝中，只會(huì)加劇這些熱需求。

PCB 熱管理中的主要挑戰(zhàn)

為大功率電子產(chǎn)品設(shè)計(jì) PCB 涉及應(yīng)對(duì)多項(xiàng)熱挑戰(zhàn)：

材料的低導(dǎo)熱性

傳統(tǒng)的 FR-4 基材因其成本效益和電絕緣性而被廣泛使用，但導(dǎo)熱系數(shù)低 （0.3-0.5 W/m·K）。這使得熱量難以從高溫組件中傳遞出去，從而導(dǎo)致局部熱點(diǎn)。

高功率密度

現(xiàn)代設(shè)備將更多功能集成到更小的區(qū)域。例如，大功率 LED 可以在 1 cm2 的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生 10-20 W 的熱量，需要高效散熱以防止熱失控。

小型化約束

緊湊的設(shè)計(jì)限制了大型散熱器或風(fēng)扇等傳統(tǒng)冷卻解決方案的空間，迫使工程師依賴創(chuàng)新的 PCB 級(jí)技術(shù)。

熱膨脹失配

元件和 PCB 材料在加熱下以不同的速率膨脹。例如，硅芯片的 CTE 為 ~2.6 ppm/°C，而 FR-4 為 ~14-17 ppm/°C，產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)使焊點(diǎn)開(kāi)裂。

成熟的熱管理技術(shù)

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，工程師采用了一系列技術(shù)來(lái)有效地散熱。以下是一些最有效的方法，并有實(shí)際示例支持。

1. 戰(zhàn)略組件放置

將高功率元件（如微控制器或功率晶體管）放置在 PCB 的中心，可以讓熱量向各個(gè)方向均勻消散。例如，將 15 W 處理器放置在電路板邊緣附近，比中央放置多將局部溫度升高 20°C。敏感元件（如電解電容器）應(yīng)放置在遠(yuǎn)離熱源的位置，以避免降解。

2. 熱通孔

熱通孔是填充銅的小孔，可將熱量從元件傳導(dǎo)至散熱器或 PCB 內(nèi)層。功率 IC 下的過(guò)孔陣列，直徑為 0.3 mm，間距為 1 mm，可將熱阻降低多達(dá) 30%。為了獲得最佳性能，過(guò)孔應(yīng)符合 IPC-2152 標(biāo)準(zhǔn)，并直接放置在熱源下方。

3. 散熱器和散熱器

散熱器增加了散熱表面積。導(dǎo)熱系數(shù)為 385 W/m·K 的銅散熱器可以將組件的溫度降低 15-25°C。 散熱器（通常是薄銅板）將熱量分布在整個(gè) PCB 上以防止熱點(diǎn)。例如，在大功率 LED 下放置 2 mm 厚的銅擴(kuò)寬器可以將結(jié)溫降低 10°C。

4. 熱界面材料 （TIM）

TIM（如導(dǎo)熱硅脂或?qū)釅|）可增強(qiáng)組件和散熱器之間的熱傳遞。導(dǎo)熱系數(shù)為 5 W/m·K、厚度為 0.5 mm 的 TIM 可以將熱阻降低 20%。正確應(yīng)用至關(guān)重要 — 過(guò)多的 TIM 會(huì)增加電阻，而過(guò)少會(huì)降低接觸效率。

5. 金屬芯 PCB （MCPCB）

金屬芯 PCB，通常具有鋁芯或銅芯，具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性（鋁為 1.3-4.2 W/m·K，而 FR-4 為 0.3 W/m·K）。這些非常適合 LED 照明等大功率應(yīng)用，與 FR-4 相比，鋁制 MCPCB 可以將結(jié)溫降低多達(dá) 40%。

先進(jìn)的熱管理解決方案

隨著電子產(chǎn)品對(duì)性能的要求越來(lái)越高，先進(jìn)的技術(shù)正在涌現(xiàn)，以應(yīng)對(duì)極端的熱挑戰(zhàn)。

嵌入式冷卻

將冷卻液通道嵌入 PCB 或芯片中，可以直接散熱。例如，電源模塊中的微流體通道可以將溫度降低 30°C，非常適合高密度服務(wù)器應(yīng)用。

納米材料

石墨烯（導(dǎo)熱系數(shù) ~5000 W/m·K）和碳納米管等材料正在集成到 PCB 中，以增強(qiáng)傳熱。與傳統(tǒng) TIM 相比，基于石墨烯的導(dǎo)熱墊可以將散熱提高 25%。

AI 驅(qū)動(dòng)的熱管理

AI 算法監(jiān)控實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)并動(dòng)態(tài)調(diào)整冷卻機(jī)制。在數(shù)據(jù)中心 PCB 中，AI 驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇可以優(yōu)化氣流，將熱點(diǎn)溫度降低 15°C，從而提高能源效率。

厚銅 PCB

使用較厚的銅層（例如 2-4 oz/ft2）會(huì)增加熱質(zhì)量和導(dǎo)熱性。與標(biāo)準(zhǔn)的 1 oz/ft2 設(shè)計(jì)相比，具有 3 oz/ft2 銅的 PCB 可以將熱阻降低 15%，非常適合大電流應(yīng)用。

熱分析和測(cè)試

有效的熱管理始于準(zhǔn)確的分析。Ansys Icepak 和 Sherlock 等工具可仿真熱流，預(yù)測(cè)熱點(diǎn)和組件溫度。例如，20 W 功率模塊的熱建模可以通過(guò)添加兩個(gè)熱通孔來(lái)識(shí)別 10°C 的熱點(diǎn)減少。

體能測(cè)試同樣重要。紅外攝像頭可檢測(cè)組件過(guò)熱，而熱循環(huán)測(cè)試（例如，根據(jù) IPC 標(biāo)準(zhǔn)為 -40°C 至 125°C）可確保壓力下的可靠性。這些方法有助于在生產(chǎn)前驗(yàn)證設(shè)計(jì)，從而節(jié)省時(shí)間和成本。

熱管理是高功率電子產(chǎn)品可靠 PCB 設(shè)計(jì)的基石。通過(guò)利用熱通孔、金屬芯 PCB 和先進(jìn)材料等技術(shù)，工程師可以降低與熱相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)并提高性能。隨著技術(shù)的進(jìn)步，嵌入式冷卻和 AI 驅(qū)動(dòng)型管理等創(chuàng)新將進(jìn)一步徹底改變熱解決方案。