PCB基板的导热性如何影响性能

9月12日

PCB散热器的温度分布

PCB基板的热导率通常被认为是事后才考虑的。这一重要的物理量衡量的是热量从热物体流向材料较冷区域的速率。许多量产板将被放置在FR4上，与许多替代材料相比，FR4的导电性非常低。因此，许多设计人员使用许多热管理方法和系统来保持其电路板和组件的温度在安全范围内。

值得庆幸的是，有许多材料可用作PCB基板，除了更高的导热性外，还提供了许多其他好处。PCB基板材料也会影响在高温下导体上产生的热应力和在高速/高频下的损耗。在选择超越热导率的衬底时，有许多设计上的权衡需要考虑，使用低热导率的衬底以及一些被动或主动冷却方法可能会更好。

热导率如何影响PCB温度

选择具有适当热导率的基板是PCB设计的许多重要方面之一。pcb中的热管理在具有高速切换的有源组件的小型电路板中变得尤为重要。它在携带大电流的电路板中也很重要，因为电阻损耗在痕量中会产生热量，然后传递到基板中。

如果您知道您的电路板在运行过程中会产生大量的热量，或者您的电路板将在高温环境中运行，那么您可能需要使用导热性更高的基板。您可能还需要实施被动冷却，主动冷却，或两者兼而有之，以保持重要组件的温度在其安全工作范围内。这也很重要

衡量导热系数和其他材料性能

众所周知，具有高导热性的PCB基板材料也往往具有高导电性。这并不一定意味着基片的介电常数的实部也会有更大的值。更确切地说，这意味着基材材料中的导电损耗在具有较高热导率的基材中往往更大。

这意味着PCB中沿传输线的损耗将会增加，这是由于迹线表面的加热以及传输线与其参考导体之间的泄漏。然而，也有一些替代方案高速/高频PCB基板材料你可以用类似或更低的导电性来与热导率相比较。与FR4相比，陶瓷具有更高的导热性和更低的导电损耗。虽然这些基板的成本往往高于FR4基板，但您的板将具有更长的预期寿命，这将成为您产品的重要卖点。

PCB基板要考虑的另一个热方面是它的体积膨胀。导热系数在所有材料中都不随体积膨胀系数而变化，尽管使用导热系数较高的基板是可取的，因为它可以将热量从热部件中转移出去，从而在整个板中产生更均匀的温度分布。这与局部体积膨胀和形成的热点附近的有源元件或携带大电流的痕迹作了战斗。

PCB布局中的迹线

如果电流很大，这些线路可能会有危险

体积膨胀在将反复循环到高温或低温的pcb中变得尤为重要。当PCB达到高温时，衬底和导体膨胀，这将对导体施加压力。如果温度达到很高的水平或导体很薄(如在人类发展指数多氯联苯)，应力会导致痕迹开始从基材上剥离。大纵横比的未填充通孔也可能在通孔中心附近或铜箔边缘处开裂。

这就是使衬底和导体的体积膨胀系数尽可能接近变得重要的地方。陶瓷板具有比FR4更高的热导率，而其体积膨胀系数更接近于普通PCB导体材料的值。这就是为什么陶瓷倾向于在高温环境或温度反复循环的环境中应用。一旦衬底温度超过玻璃化转变温度，板将开始以更快的速度膨胀。一些罗杰斯材料具有较高的玻璃化转变温度，在较宽的温度范围内提供稳定的体积膨胀。

不同用途pcb的热管理

使用具有较高热导率的基板有助于被动冷却和热管理，这有助于在智能手机、汽车应用、工业电子和其他领域保持较低的板温。这确保热量可以更均匀地扩散到整个板，从而产生更均匀的温度分布。还有一些其他简单的被动冷却方法或主动冷却组件可用于对抗温升，如使用热垫，重要部件上的散热器，冷却风扇，在内层放置多个平面，以及其他方法。

陶瓷PCB基板材料

与FR4, PTFE和聚酰亚胺相比，陶瓷提供了更高的导热性，尽管代价是更高的制造成本。这些机械上坚韧的基片很难用激光和机械钻取，这使得多层制造变得困难。陶瓷PCB基板也可以很容易地用于烧结金或银导体，因为这些材料的纳米颗粒将在与烧制陶瓷PCB基板相同的温度下烧结。

请注意，其他材料的性质，如介电常数的实部和虚部，将影响陶瓷板在不同应用中的运作方式。在确定是否需要使用陶瓷PCB基板时，这应该与上面提到的其他材料特性一起考虑。如果您的应用程序需要中等模拟频率或高温下的高速信号，那么陶瓷基板可能是您的正确选择。

如果你想了解更多，了解PCB基板材料的选择．

不同PCB基板的热导率值表

一些替代PCB基板材料的热导率

散热器的热垫vs.热糊

热垫和热糊是将散热器连接到活性部件上的两种选择，这些部件充当大型储热器，以捕获热量并将其传递到周围环境。散热器必须机械地连接到组件上，或者使用热垫或热膏。不同的浆糊提供不同的散热水平，尽管热浆糊将比任何热垫在磨损和撕裂。使用这些材料连接到活动组件上的散热器也可以与风扇结合，直接为cpu、gpu、fpga和任何其他高速切换的活动组件提供严重的冷却。

如果你想了解更多，阅读有关散热器的工作．

在CPU上涂抹热膏

用于CPU散热片粘贴，导热系数高

多层pcb中的接地和电源平面

你的电源和地平面都有很高的导热性，可以在整个板中散热。然而，它们不能起到陶瓷板一样的降温作用，因为板表面与外部环境之间的温度梯度往往比陶瓷板低。包括额外的电源和地平面可以提供一些额外的热耗散，增加PCB的等效热导率。

如果您希望提供更好的电路板可靠性和热管理，而不需要在陶瓷基板上花费额外的钱，您也可以考虑使用金属核心PCB。内部金属核心提供了一个高导热区域，允许热量均匀地分布在整个板。考虑到金属核心的天然屏蔽、更高的散热和与陶瓷相比的低成本，这是一个很好的折衷。

如果你想了解更多，阅读PCB堆叠设计．

用于热管理的冷却风扇

由于冷却风扇必须用模拟信号或脉冲波调制，在将冷却风扇整合到任何电子系统时，都必须考虑信号完整性这一重要因素。这些风扇因产生EMI而臭名昭著，在极端情况下可能会干扰其他部件。可能需要适当的堆叠设计、接地和混合信号布局技术来抑制由于EMI问题而在板的其他区域产生的噪声。在某些情况下，明智地使用过滤器或简单地使用屏蔽罐可以帮助抑制冷却风扇的噪音。

如果你想了解更多，阅读有关主动和被动冷却选项．

PCB布局中的有源和无源组件

你知道这些部件中哪些需要冷却风扇吗?

动态功率调节

在太小而不能容纳冷却风扇或散热器的设备中，使用活动组件的动态功率调节可以暂时减少板中产生的热量。这是用于移动设备的标准策略，因为移动设备太小，无法包含主动冷却。这包括根据需要主动地打开或关闭设备中的不同功能块。这还包括将微控制器等组件设置为睡眠模式，以节省电力并消除系统中的热源。当与一些独特的基板材料或金属核心PCB一起使用时，可以弥补标准PCB基板的低导热性。

如果你想了解更多，阅读移动设备中的动态功率调节．