整個電力電子行業(yè)，包括射頻應用和涉及高速信號的系統(tǒng)，都在朝著在越來越小的空間內(nèi)提供越來越復雜的功能的解決方案發(fā)展。設計人員在滿足系統(tǒng)尺寸、重量和功率要求方面面臨越來越苛刻的挑戰(zhàn)，其中包括有效的熱管理，從印刷電路板的設計開始。

高集成密度有源功率器件，可以散發(fā)大量熱量，因此需要能夠?qū)崃繌淖顭岬慕M件傳遞到接地層或散熱表面的 PCB，并盡可能高效地運行。熱應力是功率器件故障的主要原因之一，因為它會導致性能下降，甚至可能導致系統(tǒng)故障或故障。器件功率密度的快速增長和頻率的不斷提高是造成電子元器件過熱的主要原因。

越來越廣泛地使用具有降低功率損耗和更好導熱性的半導體，例如寬帶隙材料，其本身并不足以消除對有效熱管理的需求。

當前基于硅的功率器件的結溫在大約 125°C 和 200°C 之間。但是，始終優(yōu)選使設備在此限制以下運行，因為這會導致設備快速退化并縮短其剩余壽命。

事實上，據(jù)估計，由于熱管理不當而導致工作溫度升高 20°C，可將組件的剩余壽命減少多達 50%。

布局方法

許多項目中通常采用的一種熱管理方法是使用具有標準阻燃 (FR-4) 的基板，這是一種廉價且易于加工的材料，專注于電路布局的熱優(yōu)化。

主要采用的措施涉及提供額外的銅表面、使用更厚的走線以及在產(chǎn)生最大熱量的組件下方插入散熱孔。一種更激進的技術，能夠散發(fā)更多的熱量，包括插入 PCB 或在最外層施加真正的銅塊，通常呈硬幣形狀。銅幣單獨加工后焊接或直接貼附在PCB上，也可以插入內(nèi)層，通過熱通孔與外層連接。

銅的導熱系數(shù)為 380 W/mK，而鋁為 225 W/mK，F(xiàn)R-4 為 0.3 W/mK。銅是一種相對便宜的金屬，已廣泛用于 PCB 制造；因此，是制作銅幣、散熱孔和接地層的理想選擇，所有解決方案都能夠改善散熱。

PCB基板選擇

由于其低導熱率（介于 0.2 和 0.5 W/mK 之間），F(xiàn)R-4 通常不適合需要散發(fā)大量熱量的應用。大功率電路中可能產(chǎn)生的熱量相當可觀，而且這些系統(tǒng)經(jīng)常在惡劣的環(huán)境和極端溫度下運行。與使用傳統(tǒng)的 FR-4 相比，使用具有更高熱導率的替代基板材料可能是更好的選擇。

例如，陶瓷材料為大功率 PCB 的熱管理提供了顯著優(yōu)勢。除了提高導熱性外，這些材料還具有出色的機械性能，有助于補償重復熱循環(huán)過程中積累的應力。此外，陶瓷材料在高達 10 GHz 的頻率下具有較低的介電損耗。對于更高的頻率，總是可以選擇混合材料（例如 PTFE），它們提供同樣低的損耗，同時適度降低熱導率。

材料的熱導率越高，傳熱越快。因此，鋁等金屬除了比陶瓷更輕外，還提供了一種出色的解決方案，可以將熱量從組件中轉移出去。鋁尤其是一種優(yōu)良的導體，具有優(yōu)良的耐久性，可回收，并且無毒。由于它們的高導熱性，金屬層有助于在整個電路板上快速傳遞熱量。

鋁制 PCB 熱管理

即使是銀，由于其導熱率比銅高約 5%，也可用于制作軌道、通孔、焊盤和金屬層。此外，如果電路板在存在有害氣體的潮濕環(huán)境中使用，則在裸露的銅跡線和焊盤上使用銀飾面將有助于防止腐蝕，這是這些環(huán)境中的典型威脅。

金屬 PCB 也稱為絕緣金屬基板 (IMS)，可以直接層壓到 PCB 中，形成具有 FR-4 基板和金屬芯的板，采用單層和雙層技術，具有深度控制布線，用于將熱量從板載組件轉移到不太重要的區(qū)域。在 IMS PCB 中，一層薄薄的導熱但電絕緣的電介質(zhì)層壓在金屬基底和銅箔之間。銅箔被蝕刻成所需的電路圖案，金屬底座通過薄電介質(zhì)從該電路吸收熱量。

IMS PCB 提供的主要優(yōu)勢如下：

散熱明顯高于標準 FR-4 結構。

電介質(zhì)的導熱性通常是普通環(huán)氧樹脂玻璃的 5 倍至 10 倍。

熱傳遞的效率比傳統(tǒng) PCB 高得多。

除了 LED 技術，IMS 電路板還廣泛用于汽車行業(yè)、電力電子、開關和半導體繼電器。