整個(gè)電力電子行業(yè)，包括射頻應(yīng)用和涉及高速信號(hào)的系統(tǒng)，都在朝著在越來(lái)越小的空間內(nèi)提供越來(lái)越復(fù)雜的功能的解決方案發(fā)展。設(shè)計(jì)人員在滿足系統(tǒng)尺寸、重量和功率要求方面面臨越來(lái)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(shè)計(jì)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(yùn)行。熱應(yīng)力是功率器件故障的主要原因之一，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致性能下降，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障或故障。器件功率密度的快速增長(zhǎng)和頻率的不斷提高是造成電子元器件過(guò)熱的主要原因。
越來(lái)越廣泛地使用具有降低功率損耗和更好導(dǎo)熱性的半導(dǎo)體，例如寬帶隙材料，其本身并不足以消除對(duì)有效熱管理的需求。
當(dāng)前基于硅的功率器件的結(jié)溫在大約 125°C 和 200°C 之間。但是，始終優(yōu)選使設(shè)備在此限制以下運(yùn)行，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致設(shè)備快速退化并縮短其剩余壽命。
事實(shí)上，據(jù)估計(jì)，由于熱管理不當(dāng)而導(dǎo)致工作溫度升高 20°C，可將組件的剩余壽命減少多達(dá) 50%。
布局方法
許多項(xiàng)目中通常采用的一種熱管理方法是使用具有標(biāo)準(zhǔn)阻燃 (FR-4) 的基板，這是一種廉價(jià)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(jìn)的技術(shù)，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(dú)加工后焊接或直接貼附在PCB上，也可以插入內(nèi)層，通過(guò)熱通孔與外層連接。
銅的導(dǎo)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(duì)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(dǎo)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(yīng)用。大功率電路中可能產(chǎn)生的熱量相當(dāng)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(yùn)行。與使用傳統(tǒng)的 FR-4 相比，使用具有更高熱導(dǎo)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(shì)。除了提高導(dǎo)熱性外，這些材料還具有出色的機(jī)械性能，有助于補(bǔ)償重復(fù)熱循環(huán)過(guò)程中積累的應(yīng)力。此外，陶瓷材料在高達(dá) 10 GHz 的頻率下具有較低的介電損耗。對(duì)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(shí)適度降低熱導(dǎo)率。
材料的熱導(dǎo)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(zhuǎn)移出去。鋁尤其是一種優(yōu)良的導(dǎo)體，具有優(yōu)良的耐久性，可回收，并且無(wú)毒。由于它們的高導(dǎo)熱性，金屬層有助于在整個(gè)電路板上快速傳遞熱量。
鋁制 PCB 熱管理
即使是銀，由于其導(dǎo)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(shù)，具有深度控制布線，用于將熱量從板載組件轉(zhuǎn)移到不太重要的區(qū)域。在 IMS PCB 中，一層薄薄的導(dǎo)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(guò)薄電介質(zhì)從該電路吸收熱量。
IMS PCB 提供的主要優(yōu)勢(shì)如下：
散熱明顯高于標(biāo)準(zhǔn) FR-4 結(jié)構(gòu)。
電介質(zhì)的導(dǎo)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(shù)，IMS 電路板還廣泛用于汽車行業(yè)、電力電子、開關(guān)和半導(dǎo)體繼電器。
