12 种 PCB 热管理技术

发布时间：2024-12-23 01:13

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AutoEuler 2022年3月29日浏览：1968 评论：1 收藏：5

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现代电子产品使用大功率组件，如高性能处理器、MOSFET、大功率 LED、IGBT 等。我们知道电子行业的趋势是使这些组件更小，但这会导致热点的产生。PCB 热点处的高温可能导致设备故障。因此，PCB 热管理技术必须在 PCB 中进行。

12 种 PCB 热管理技术的图1

热性能是设计电子产品时要考虑的最关键因素之一。为了解决发热问题，PCB 设计人员需要结合减少发热影响的技术。这意味着设计人员需要学习电子设备中使用的冷却方法，并且需要了解减少内部散热的技术。

什么是 PCB 热管理和热建模？

热建模是用于进行热失效分析的关键工具。它使设计人员能够很好地了解与其电路设计相关的各种热问题。此外，它有助于选择适当的冷却方法和PCB 设计技术。PCB设计人员可以使用合适的建模软件找出布局中不同组件的最佳设计和定位。热建模使设计人员能够有效地确定以下方面-有源器件的热流模式、散热器设计和冷却方法。

减少PCB发热的12种PCB热管理技术

识别热点和大电流迹线

为了制造热稳定的 PCB，必须在设计阶段本身研究热效应。热设计的第一步是识别热点。热建模或热仿真技术用于寻找热点。此外，必须同时进行电流分析，因为大电流迹线会产生热量。组件和大电流走线的适当几何排列可以使热量均匀分布。大电流走线必须远离传感器和运算放大器等热敏组件。

走线的铜厚和宽度

铜焊盘或走线的厚度和宽度在 PCB 热设计中起着重要作用。铜迹线的厚度应足以为通过它的电流提供低阻抗路径。这是因为铜迹线和通孔的电阻会导致显着的功率损耗和发热，尤其是在它们承受高电流密度时。因此，建议使用足够的走线宽度和厚度来减少发热。

12 种 PCB 热管理技术的图2

用于 PCB 热管理的焊盘设计

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就像走线厚度一样，焊盘厚度也很重要。热量直接向顶部铜层消散。因此，顶部铜焊盘必须具有足够的厚度和面积以提供足够的散热。

如果PCB设计中有散热片，它们通常安装在底部铜焊盘上。然后底部的铜焊盘应该有足够的覆盖率，以允许最佳的热量传递到散热器。

元件引脚焊接到由焊盘支撑的 PCB 上。该组件直接连接到焊盘，这导致 PCB 的热阻非常低。电路板上使用了一种特殊的焊盘，即热焊盘。该焊盘仅通过薄桥连接到周围浇注的铜。

用于连接组件占位面积和导热垫的焊膏应该最少。热焊盘下过多的焊膏会导致回流期间元件漂浮在熔融焊料池上。发生这种情况时，组件包往往会移动。解决浮动封装问题的方法是优化焊膏量。

在 PCB 中放置大功率元件

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为了更好地散热，处理器和微控制器等大功率组件应放置在 PCB 的中心。如果将大功率元件安装在靠近电路板边缘的位置，它会在边缘积聚热量并提高局部温度。但是，如果将设备放置在电路板的中心，热量会在整个表面上向各个方向散射。因此，PCB 的表面温度会更低并且容易消散。

此外，请确保将大功率组件放置在远离敏感设备的位置，并在两个大功率设备之间保持适当的间距。尽量将大功率元件均匀地放置在 PCB 上。

PCB散热孔设计

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热通孔是在电路板顶部和底部之间运行的导热铜桶。这种通孔是良好的导热体，可以将热量从关键电子元件中传递出去。这些通孔通常用于促进从表面贴装器件 (SMD) 快速散热。

假设 PCB 顶部没有用于冷却系统的空间，例如集成传感器、指示器或带有大量组件的封装板。最简单的散热方法是通过散热孔连接到冷却系统（散热器或热管）。

设计人员可以使用热通孔在导电层之间进行垂直传热。BGA 或处理器下的散热孔数量应由设计人员根据散热范围和表面积来确定。

标准散热孔尺寸如下所述：

直径为 12 mil (0.3 mm)，网格间距为 25 mil (0.64 mm)。

标准镀铜厚度为 1 mil (25 μm)

无过孔填充

散热器

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散热片是一种将PCB元件散发的热量转移到冷却介质中的冷却方法。散热器的工作原理是传导原理，即热量从高热阻区域传递到低热阻区域。热量也从高温区流向低温区，热流量与温差成正比。散热器将热量从 PCB 吸收到散热片，这些散热片提供更大的表面积以更快地散热。

设计人员可以根据几个因素为他们的设计选择合适的散热器。例如，所用材料的热阻率、水槽内冷却液的速度、所用的热界面材料、翅片的数量和翅片之间的间距、所用的安装技术等。

热管一体化

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热管是推荐用于更高温度应用的冷却装置，例如火箭、卫星和航空电子设备。热管大多为空心圆柱体，但可以方便地制成任何形状。

从各种设备散发的热量被传递到热管内的液体并使液体蒸发。蒸发的液体在冷凝器端冷凝，并通过毛细作用通过芯结构返回蒸发器。这种循环过程可确保散发的热量从 PCB 流出。

设计人员应考虑使用完全覆盖其热源并能够根据您的设计要求弯曲的热管。有多种热管工作流体可供选择，从冷冻剂到液态金属。工作流体的选择取决于回路的温度范围以及流体与容器和热管芯的化学相容性。

较厚的PCB板

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对于较小的设备，散热器、热管、冷却风扇等冷却方法根本不是一种选择。在这种情况下，唯一的选择是增加电路板的导热性并分散产生的热量。具有较大表面积的厚板可以快速散热。

PCB 的热导率取决于所用材料的热膨胀系数 (CTE) 及其厚度。设计人员必须特别注意为 PCB 叠层中的每一层选择材料。当不同层中使用的各种材料的热膨胀系数不匹配时，在重复热循环时，会发生疲劳，从而降低热导率。通孔和焊球中的镀铜在高热循环下更容易受到损坏。

集成冷却方式

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与传统的散热器和风扇设置相比，集成冷却方法用于实现更高的导热系数。这个概念是通过专用通孔将冷却剂直接吹到处理器或 BGA 或任何加热组件的底部。

过孔的数量应由设计人员确定，具体取决于安装组件的热标准。首先考虑单个通孔，可以根据需要添加更多通孔，具体取决于冷却液的速度和组件的表面积。

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还有其他类型的集成冷却方法，例如上面说明的内部冷却方法。在这种方法中，板本身内部装有一个热交换器。由于不需要外部散热器或冷板，因此减少了 PCB 组装步骤和最终产品的重量。但是这些冷却器需要在冷却通道周围具有非常高的热通孔密度。

冷却风扇

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在本文中介绍了几种冷却方法，如散热器、热管、热通孔等。所有这些技术都通过传导来交换热量，这在很多情况下是不够的。冷却风扇采用对流热传递方法，为设计人员提供了一种非常有效的方法来将热量从组件中带走。

风扇的效率取决于从设备中排出特定体积空气的能力以及放置风扇的兼容性。设计人员在选择风扇时必须考虑摩擦、尺寸、噪音、成本、操作、功率要求等因素。但风扇的主要目的是推动一定量的空气，这意味着容量是选择冷却风扇的优越因素。

焊接浓度

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PCB 设计人员有两种选择来避免焊料溢出。第一个是将通孔的直径减小到0.3mm以下。通孔越小，通孔内液态焊料的表面张力就能够更好地抵抗焊料上的重力。

第二种选择是称为帐篷的过程。它涉及用阻焊层覆盖通孔的焊盘，以防止焊料流下通孔。

珀耳帖热泵/热电冷却器 (TEC)

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是时候升级到先进的 PCB 冷却技术了。热电冷却或 Peltier 热泵方法使用 Peltier 效应进行冷却。珀尔帖效应与热蒸汽的产生相反。这些设备可以将组件冷却到低于环境温度。

TEC 用于应将组件温度保持在特定水平的情况。例如 CCD 相机（电荷耦合器件）、激光二极管、微处理器、夜视系统等。TEC 提供准确的温度控制和更快的响应。设计人员可以将 TEC 与空气冷却或液体冷却技术结合使用，以扩展高功率耗散处理器的传统空气冷却限制。商用 Peltier 泵的陶瓷面尺寸范围从冷却侧 3.2 × 3.2mm² 到 62 × 62mm²，底座（加热侧）从 3.8 × 3.8mm² 到 62 × 62mm²。

PCB热仿真

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