设计师在满足电源要求方面面临着复杂的问题，其中包括从PCB设计开始的有效热管理。

整个电力电子行业，包括射频应用以及涉及高速信号的系统正在朝着在越来越小的空间中提供越来越复杂的功能的解决方案发展。设计者面临着越来越苛刻的挑战，以满足系统尺寸、重量和功率要求，其中包括从印刷电路板的设计开始的有效热管理。


高集成度-密度有源电力设备，如MOSFET晶体管，可以散发大量的热量，因此需要能够将热量从最热的部件传递到接地平面或散热表面的PCB，尽可能高效地工作。热应力是电力设备故障的主要原因之一，因为它会导致性能下降，甚至可能导致系统故障或失效。器件功率密度的快速增长和频率的不断增加是导致电子元件过热的主要原因。越来越广泛地使用具有降低的功率损耗和更好的热导率的半导体，如宽带隙材料，其本身不足以消除对有效热管理的需求。


目前的硅基功率器件的结温在125˚C到200˚C之间。然而，总是优选使设备在低于该极限的情况下运行，因为这将导致设备的快速退化和剩余寿命的减少。事实上，据估计，由于热管理不当导致的工作温度升高20˚C，会使部件的剩余寿命缩短50%。


布局方法


许多项目中通常采用的热管理方法是使用具有标准阻燃等级4（FR-4）的基板，这是一种廉价且易于操作的材料，专注于电路布局的热优化。


所采取的主要措施涉及提供额外的铜表面，使用更大厚度的迹线，以及在产生最大热量的部件下方插入热过孔。一种更激进的技术，能够散发更多的热量，包括插入PCB或在最外层施加真正的铜块，通常是硬币的形状（因此得名“铜钱”）。铜钱被单独处理，然后被焊接或直接连接到PCB上，或者它们可以被插入内层并通过热过孔连接到外层。图1显示了一个PCB，其中制作了一个特殊的空腔来容纳一枚铜钱。


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图1：带有铜钱的PCB


铜的导热系数为380W/mK，而铝的导热系数是225W/mK；FR-4的导热系数则是0.3W/mK。铜是一种相对便宜的金属，已经广泛用于PCB制造；因此，它是制造铜钱、热过孔和接地平面的理想选择，所有这些解决方案都能够提高散热性能。


在板上正确定位有源组件是防止热点形成的关键因素，从而确保热量尽可能均匀地分布在整个板上。在这一点上，有源元件应不按特定顺序分布在PCB周围，以避免在特定区域形成热点。然而，最好避免将产生大量热量的有源元件放置在电路板边缘附近。相反，它们应该尽可能靠近板的中心，有利于热量均匀分布。如果高功率设备安装在电路板边缘附近，它会在边缘积聚热量，从而增加局部温度。另一方面，如果将其放置在板的中心附近，热量将在表面上向各个方向消散，从而降低温度并更容易消散热量。电源设备不应靠近敏感部件放置，并且应适当地相互隔开。


通过采用主动或被动冷却系统，如散热器或风扇，可以进一步改进在布局层面采取的措施，其功能是从有源组件中去除热量，而不是直接在板中散热。通常，设计者必须根据具体应用的要求和可用预算，在不同的热管理策略之间找到正确的折衷方案。


PCB基板选择


由于FR-4的导热系数较低，介于0.2和0.5 W/mK之间，因此通常不适合需要散发大量热量的应用。高功率电路中可能积聚的热量是相当大的，再加上这些系统经常在恶劣的环境和极端的温度下运行。与使用传统FR-4相比，使用具有更高导热率的替代衬底材料可能是更好的选择。


例如，陶瓷材料为高功率PCB的热管理提供了显著的优势。除了提高导热性外，这些材料还具有优异的机械财产，有助于补偿在重复热循环过程中累积的应力。此外，陶瓷材料在高达10GHz的频率下具有较低的介电损耗。对于更高的频率，总是可以选择混合材料（如PTFE），这种材料提供同样低的损耗，并适度降低热导率。


材料的导热系数越高，热传递就越快。因此，铝等金属除了比陶瓷轻之外，还为将热量从部件上转移出去提供了极好的解决方案。铝尤其是一种优秀的导体，具有优异的耐用性、可回收性和无毒性。由于其高导热性，金属层有助于在整个板上快速传递热量。一些制造商还提供金属包覆的PCB，其中两个外层都是金属包覆的，通常是铝或镀锌铜。从单位重量成本的角度来看，铝是最佳选择，而铜具有更高的导热性。铝被广泛用于构建支持高功率LED的PCB（一个例子如图2所示），其中铝还特别有用，因为它能够将光反射出基板。


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图2：用于高功率RGB LED的铝PCB示例


即使是银，由于其热导率比铜高出约5%，也可以用于制造轨道、通孔、焊盘和金属层。此外，如果电路板在存在有毒气体的潮湿环境中使用，在暴露的铜迹线和焊盘上使用银饰面将有助于防止腐蚀，这是这些环境中常见的威胁。


金属PCB，也称为绝缘金属基板（IMS），可以直接层压到PCB中，从而形成具有FR-4基板和金属芯的板，该板采用单层和双层技术，具有深度控制布线，用于将热量从板载组件转移到不太关键的区域。在IMS PCB中，一层导热但电绝缘的电介质薄层层压在金属基底和铜箔之间。铜箔被蚀刻成所需的电路图案，并且金属基底通过薄电介质从该电路吸收热量。


IMS PCB提供的主要优势如下：


除了LED技术（照明标志、显示器和照明）外，IMS电路板还广泛用于汽车行业（前照灯、发动机控制和动力转向）、电力电子（直流电源、逆变器和发动机控制）、开关和半导体继电器。


>>这篇文章最初发表在我们的姐妹网站上，电力电子新闻.