设计|电巢学堂：低热阻PCB设计关注热管理对于使电路板中的

关注热管理对于使电路板中的部件保持在安全工作温度范围内非常重要。 FR4是最常用的基板材料之一，但其热导率非常低，会导致热量集中在发热部件附近。在这种情况下，我们需要采用一个全面的热管理策略，实现关键部件的散热，并使其保持在工作温度范围内。
通常，所有热管理中都包括风扇和散热器，低热阻PCB设计也不例外。这需要选用适当的材料或额外使用大量铜，为关键部件提供低电阻散热路径。本文将讨论可以降低PCB热阻，并确保电路板处于安全温度范围内的一些方法。
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什么是PCB热阻？
虽然有时会使用“热导率”一词来代替“热阻” ，但这两个物理量其实不同。 PCB热阻是热力学中类比电阻的概念。它取决于基板材料、部件以及铜部件的热导率，以及所有这些要素的几何形状。在导热率较高的电路板中，热量会更快地从温度较高的区域转移到温度较低的区域，因此电路板的热阻较低。
电路板中的各种材料和部件具有不同的热导率，因此它们的导热速率也不同。电路板的整体热阻需要综合考虑每个部件的热阻。如果愿意，可以构建电路模型，然后利用每个部件的热阻来计算电路板的总热阻，这和电阻一样。如此一来，高热阻基板（通常为FR4）和低热阻导体（铜）的组合便决定了PCB的有效热导率和总热阻。
低热阻设计
如果降低PCB热阻的设计方法在上述讨论中尚不明显，那么最佳方法便是多使用热导率高的材料。这是带有发热部件的电路板应该使用内部平面层的一个原因。平面层中使用的铜具有高热导率，因而为发热部件提供了低电阻散热路径。设计高速或高频电路板时，无论如何都应该使用内部电源/接地平面层，因为这有助于隔离并屏蔽外部辐射源产生的电磁干扰。
另一种表层散热的方式是在发热部件下放铜焊盘。这些焊盘上通常有过孔连接内部接地平面，从而为这些部件提供镜象屏蔽。带有芯片贴装散热焊盘的部件应直接焊接到散热焊盘上，从而使部件获得最佳散热效果。设计这些焊盘时要小心，因为若放置的过孔太大/太多，在组装过程中焊料会渗透到电路板背面。同封装厂确认其制造能力是一个好办法。
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散热焊盘中的过孔：仔细确定这些过孔的尺寸和间距。
另一个降低PCB热阻的主要方法是使用更多铜。如果电路板的工作电流较大，则无论如何都应该使用更多铜。 IPC-2152曲线图是一种防止温升过高的走线设计方法，尽管很难解决基于IPC 2152的设计中的阻抗控制要求。
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IPC-2152曲线图。图片来源：~amroldan/cursos/2014/pcb/modulos/temas/IPC2152.pdf
使用替代基板材料的超级快充散热
与其他基板材料相比， FR4板材因热导率较低，故而热阻较高，因此发热部件上需要使用散热焊盘。陶瓷和金属芯PCB等基板替代物是很好的热管理选择。这两种材料的整体导热率都更高，无需使用散热焊盘和电路板背面的通孔，部件的热量便可以快速散去。
FR4的热导率约为1.0 W/(m-K) ，其他高频兼容层压板（如罗杰斯和依索拉公司的材料）的热导率值相似。相比之下，陶瓷材料的热导率在20至300 W/(m-K)之间，因此非常适合与发热部件一起使用或放置在靠近其他热源的系统中。采用高导热率的陶瓷基板后，电路板中便可以不再使用体积笨重的散热器或噪音较大的风扇。用于PCB的常见陶瓷包括氧化铝、氮化铝、氮化硼和碳化硅。
陶瓷PCB还有其他优点和缺点。尽管陶瓷材料的强度较高，但它们易碎且易断裂，而FR4则相当柔韧。陶瓷材料的热膨胀系数远比FR4或其他纤维编织基板更接近铜的热膨胀系数值。这降低了运行期间细走线和过孔上的热应力。也可以通过使用各种添加剂来调节陶瓷材料的性能。这仍然是材料科学领域的一个研究热点。
金属芯PCB是FR4基材的另一种替代品。这类基板使用一种金属板（通常是铝）作为板芯。该板芯可以连接到邻近的接地平面，提供额外的电磁干扰屏蔽层。此外，金属芯的机械强度更高，热阻更低，且柔韧可弯；与陶瓷材料相比，这类电路板不易断裂。铝芯PCB通常用于大功率LED照明系统，这种情况下，电路板与大型金属外壳连接。电路板因此获得了很高的散热性能。