現(xiàn)代電子產品使用大功率組件，如高性能處理器、MOSFET、大功率 LED、IGBT 等。我們知道電子行業(yè)的趨勢是使這些組件更小，但這會導致熱點的產生。PCB 熱點處的高溫可能導致設備故障。因此，PCB 熱管理技術必須在 PCB 中進行。

熱性能是設計電子產品時要考慮的最關鍵因素之一。為了解決發(fā)熱問題，PCB 設計人員需要結合減少發(fā)熱影響的技術。這意味著設計人員需要學習電子設備中使用的冷卻方法，并且需要了解減少內部散熱的技術。

什么是 PCB 熱管理和熱建模？

熱建模是用于進行熱失效分析的關鍵工具。它使設計人員能夠很好地了解與其電路設計相關的各種熱問題。此外，它有助于選擇適當?shù)睦鋮s方法和PCB 設計技術。PCB設計人員可以使用合適的建模軟件找出布局中不同組件的最佳設計和定位。熱建模使設計人員能夠有效地確定以下方面-有源器件的熱流模式、散熱器設計和冷卻方法。

減少PCB發(fā)熱的12種PCB熱管理技術

識別熱點和大電流跡線

為了制造熱穩(wěn)定的 PCB，必須在設計階段本身研究熱效應。熱設計的第一步是識別熱點。熱建模或熱仿真技術用于尋找熱點。此外，必須同時進行電流分析，因為大電流跡線會產生熱量。組件和大電流走線的適當幾何排列可以使熱量均勻分布。大電流走線必須遠離傳感器和運算放大器等熱敏組件。

走線的銅厚和寬度

銅焊盤或走線的厚度和寬度在 PCB 熱設計中起著重要作用。銅跡線的厚度應足以為通過它的電流提供低阻抗路徑。這是因為銅跡線和通孔的電阻會導致顯著的功率損耗和發(fā)熱，尤其是在它們承受高電流密度時。因此，建議使用足夠的走線寬度和厚度來減少發(fā)熱。

用于 PCB 熱管理的焊盤設計

• 就像走線厚度一樣，焊盤厚度也很重要。熱量直接向頂部銅層消散。因此，頂部銅焊盤必須具有足夠的厚度和面積以提供足夠的散熱。  
  

• 如果PCB設計中有散熱片，它們通常安裝在底部銅焊盤上。然后底部的銅焊盤應該有足夠的覆蓋率，以允許最佳的熱量傳遞到散熱器。   

• 元件引腳焊接到由焊盤支撐的 PCB 上。該組件直接連接到焊盤，這導致 PCB 的熱阻非常低。電路板上使用了一種特殊的焊盤，即熱焊盤。該焊盤僅通過薄橋連接到周圍澆注的銅。   

• 用于連接組件占位面積和導熱墊的焊膏應該最少。熱焊盤下過多的焊膏會導致回流期間元件漂浮在熔融焊料池上。發(fā)生這種情況時，組件包往往會移動。解決浮動封裝問題的方法是優(yōu)化焊膏量。

在 PCB 中放置大功率元件

為了更好地散熱，處理器和微控制器等大功率組件應放置在 PCB 的中心。 如果將大功率元件安裝在靠近電路板邊緣的位置，它會在邊緣積聚熱量并提高局部溫度。但是，如果將設備放置在電路板的中心，熱量會在整個表面上向各個方向散射。 因此，PCB 的表面溫度會更低并且容易消散。

此外，請確保將大功率組件放置在遠離敏感設備的位置，并在兩個大功率設備之間保持適當?shù)拈g距。盡量將大功率元件均勻地放置在 PCB 上。

PCB散熱孔設計

熱通孔是在電路板頂部和底部之間運行的導熱銅桶。這種通孔是良好的導熱體，可以將熱量從關鍵電子元件中傳遞出去。這些通孔通常用于促進從表面貼裝器件 (SMD) 快速散熱。

假設 PCB 頂部沒有用于冷卻系統(tǒng)的空間，例如集成傳感器、指示器或帶有大量組件的封裝板。最簡單的散熱方法是通過散熱孔連接到冷卻系統(tǒng)（散熱器或熱管）。

設計人員可以使用熱通孔在導電層之間進行垂直傳熱。BGA 或處理器下的散熱孔數(shù)量應由設計人員根據散熱范圍和表面積來確定。

標準散熱孔尺寸如下所述：  

• 直徑為 12 mil (0.3 mm)，網格間距為 25 mil (0.64 mm)。  
  

• 標準鍍銅厚度為 1 mil (25 μm)   
  

• 無過孔填充

散熱器

散熱片是一種將PCB元件散發(fā)的熱量轉移到冷卻介質中的冷卻方法。 散熱器的工作原理是傳導原理，即熱量從高熱阻區(qū)域傳遞到低熱阻區(qū)域。 熱量也從高溫區(qū)流向低溫區(qū)，熱流量與溫差成正比。 散熱器將熱量從 PCB 吸收到散熱片，這些散熱片提供更大的表面積以更快地散熱。

設計人員可以根據幾個因素為他們的設計選擇合適的散熱器。 例如，所用材料的熱阻率、水槽內冷卻液的速度、所用的熱界面材料、翅片的數(shù)量和翅片之間的間距、所用的安裝技術等。

熱管一體化

熱管是推薦用于更高溫度應用的冷卻裝置，例如火箭、衛(wèi)星和航空電子設備。 熱管大多為空心圓柱體，但可以方便地制成任何形狀。

從各種設備散發(fā)的熱量被傳遞到熱管內的液體并使液體蒸發(fā)。 蒸發(fā)的液體在冷凝器端冷凝，并通過毛細作用通過芯結構返回蒸發(fā)器。 這種循環(huán)過程可確保散發(fā)的熱量從 PCB 流出。

設計人員應考慮使用完全覆蓋其熱源并能夠根據您的設計要求彎曲的熱管。 有多種熱管工作流體可供選擇，從冷凍劑到液態(tài)金屬。 工作流體的選擇取決于回路的溫度范圍以及流體與容器和熱管芯的化學相容性。

較厚的PCB板

對于較小的設備，散熱器、熱管、冷卻風扇等冷卻方法根本不是一種選擇。 在這種情況下，唯一的選擇是增加電路板的導熱性并分散產生的熱量。 具有較大表面積的厚板可以快速散熱。

PCB 的熱導率取決于所用材料的熱膨脹系數(shù) (CTE) 及其厚度。 設計人員必須特別注意為 PCB 疊層中的每一層選擇材料。 當不同層中使用的各種材料的熱膨脹系數(shù)不匹配時，在重復熱循環(huán)時，會發(fā)生疲勞，從而降低熱導率。 通孔和焊球中的鍍銅在高熱循環(huán)下更容易受到損壞。

集成冷卻方式

與傳統(tǒng)的散熱器和風扇設置相比，集成冷卻方法用于實現(xiàn)更高的導熱系數(shù)。 這個概念是通過專用通孔將冷卻劑直接吹到處理器或 BGA 或任何加熱組件的底部。

過孔的數(shù)量應由設計人員確定，具體取決于安裝組件的熱標準。 首先考慮單個通孔，可以根據需要添加更多通孔，具體取決于冷卻液的速度和組件的表面積。

還有其他類型的集成冷卻方法，例如上面說明的內部冷卻方法。 在這種方法中，板本身內部裝有一個熱交換器。 由于不需要外部散熱器或冷板，因此減少了 PCB 組裝步驟和最終產品的重量。 但是這些冷卻器需要在冷卻通道周圍具有非常高的熱通孔密度。

冷卻風扇

在本文中介紹了幾種冷卻方法，如散熱器、熱管、熱通孔等。所有這些技術都通過傳導來交換熱量，這在很多情況下是不夠的。 冷卻風扇采用對流熱傳遞方法，為設計人員提供了一種非常有效的方法來將熱量從組件中帶走。

風扇的效率取決于從設備中排出特定體積空氣的能力以及放置風扇的兼容性。 設計人員在選擇風扇時必須考慮摩擦、尺寸、噪音、成本、操作、功率要求等因素。 但風扇的主要目的是推動一定量的空氣，這意味著容量是選擇冷卻風扇的優(yōu)越因素。

焊接濃度

PCB 設計人員有兩種選擇來避免焊料溢出。 第一個是將通孔的直徑減小到0.3mm以下。 通孔越小，通孔內液態(tài)焊料的表面張力就能夠更好地抵抗焊料上的重力。

第二種選擇是稱為帳篷的過程。 它涉及用阻焊層覆蓋通孔的焊盤，以防止焊料流下通孔。

珀耳帖熱泵/熱電冷卻器 (TEC)

是時候升級到先進的 PCB 冷卻技術了。 熱電冷卻或 Peltier 熱泵方法使用 Peltier 效應進行冷卻。 珀爾帖效應與熱蒸汽的產生相反。 這些設備可以將組件冷卻到低于環(huán)境溫度。

TEC 用于應將組件溫度保持在特定水平的情況。 例如 CCD 相機（電荷耦合器件）、激光二極管、微處理器、夜視系統(tǒng)等。TEC 提供準確的溫度控制和更快的響應。 設計人員可以將 TEC 與空氣冷卻或液體冷卻技術結合使用，以擴展高功率耗散處理器的傳統(tǒng)空氣冷卻限制。 商用 Peltier 泵的陶瓷面尺寸范圍從冷卻側 3.2 × 3.2mm2 到 62 × 62mm2，底座（加熱側）從 3.8 × 3.8mm2 到 62 × 62mm2。

PCB熱仿真

詳細的熱模擬有助于精確找到 PCB 中熱熱點的溫度。 熱模擬是在不同條件下獲得的加熱區(qū)域溫度的色標圖。 模擬中的溫度單位始終為攝氏度 (°C)。 色標圖是通過計算 PCB 上數(shù)千個點的溫度而獲得的。

為什么要進行熱模擬？    

• 定位熱熱點以避免設備故障的風險   
  

• 確定具有各種 CTE 值的介電材料的可能可靠性    
  

• 提高產品可靠性    
  

• 熱仿真可以通過減少工程延遲、現(xiàn)場故障和產品迭代來降低實施成本    
  

• 提高工程和電氣團隊之間的績效和溝通
  

設計人員可以使用上述部分或全部傳熱技術的組合。 提高組件效率的最簡單方法是首先減少散熱量。 但是，無論在使用冷卻方法方面取得了多大成功，始終可以通過減少電路板的散熱來提高設計的可靠性。

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