PCB热性能设计:解决方案和最佳实践

2022年8月22日

关键的外卖

学习如何在高温场景下选择合适的单板材料。
组件布局的方法，以最大限度地从您的板传热。
为高效的热性能优化PCB的路由和跟踪规范的提示和技巧。

随着电路变得更快、更小，热问题比以往任何时候都更加普遍，因此设计电路板以应对这些高热场景变得非常重要

最近，电子产品变得更快、更小，并被用于更苛刻的环境。集成电路和smd比以往更小，工作频率更快，需要更多的功率。当我们的设备需要更多的电流时，电阻元件之间的压降将功率转化为热量，导致温度升高和热点。现在，超过一半的电子元件由于热产生的压力而失效。为了开发高质量的电路板，现在比以往任何时候都更重要的是考虑系统的安全性和温度，并设计具有高效热性能的PCB。在这篇文章中，我们将介绍一些关键的策略和解决方案的PCB设计，以提高热性能。

“热导率”是指材料传递热量的能力。在pcb的情况下，这是指被动(或主动)的能力，从组件产生的热量转移到系统外部。如果您能够在电路板生产之前提前计划并预测高热的来源，您将能够生产出更可靠的设备。特别是对于小电流或大电流设备，PCB上很容易形成热斑。了解如何设计热性能是制造下一代设备的关键。

具有恶劣操作环境和特别容易受到高热环境影响的特定行业的例子有天然气和石油、航空电子设备和汽车行业。无论您的电路板将用于工业设备、电力电子设备或嵌入式系统，设计具有高热性能的电路板都需要特别考虑。具体来说，我们将研究电路板制造，布局，路由和热分析的方法，以保持您的电路板性能凉爽。

PCB材料和电路板工作温度

Allegro的板堆叠管理器显示一个四层板。改变介电材料可以获得更好的热性能。

在布置组件之前，必须考虑电路板的结构和材料，因为它在散热方面起着很大的作用。

如果你的董事会是在特别热的环境，重要的是要知道材料的操作温度，特别是TG等级(玻璃化转变温度)。FR-4是最常见的PCB材料，在玻璃开始转变为液体状态之前，额定工作温度可达130度。如果您计划在更高的温度下工作，请考虑使用不同的材料，如盛艺S1000-2, ARLON 85N或ITEQ IT-180A。

在这种情况下，你的板产生特别大量的热量，使用替代基板与更高的热导率是你最好的选择。例如，陶瓷具有更高的导热性，它们的机械性能可以调整，这可以适应热循环中引入的应力。

表概述了PCB材料的热导率，包括FR4，氧化铝，氮化铝和氧化铍

与FR-4相比，陶瓷的热膨胀系数更接近硅芯片，因此不需要界面材料。其他混合材料，如聚四氟乙烯和非聚四氟乙烯热固性树脂系统与陶瓷填料也可以提供较低的介电损耗。

PCB的有效热导率取决于铜和环氧玻璃的总厚度和个别厚度。由于金属的高导电性，为FR4或其他板使用金属芯可以帮助更快地传输热量。铝或镀锌铜是常用的——铝有点便宜，但铜的热效率更高。为了进一步加速散热，可以考虑使用保护涂层或其他封装材料。

PCB热性能设计

具有不同热足迹的各种电气元件

了解如何选择热效率高的特定组件对于保持您的电路板在高温条件下运行至关重要

在布局组件的同时，要考虑到散热问题，这对电路板的寿命和功能非常重要。提高热性能的一些关键PCB设计考虑因素包括:

热敏元件

对温度特别敏感的元器件应放置在温度最低的位置，如单板底部。确保它们远离高产热部件(例如，频率晶体管，超大规模集成电路，微处理器)。另一方面，这些产生热量的组件应该放置在具有最佳散热的位置(宽铜线和多边形填充，我们将在下一节中深入研究)。将产生较少热量且对温度更敏感的无源组件放置在边缘附近高功率组件在中心。

高功率元件

大功率元件，如大功率电阻和电压调节器，会产生大量的热量，把它们堆在一起会产生热点。将您的高功率组件分布在整个电路板上避免创建特定的热点。

组件选择

超过一半的热量是通过组件引线传递到电路板上的。考虑使用金属镀孔，并保持导线的长度。此外，在选择高功耗元件时，应选择截面积大、引脚数高的元件，以便更好地传热。使用螺钉安装PCB还可以允许热量进入系统底座，更有效地分配热量。

当在大电流下工作时，电阻、转换、开关fet、驱动器ic和控制ic等组件会导致局部温度升高。这些组件中的许多可能无法在极端高温下工作，并可能在工作温度下分解。在选择组件时，请务必验证组件的温度评级，以防止电路板过热和故障。

请记住，当组件变得更小时，它们能够消耗更少的热量。例如，SOT-23封装中的MOSFET的功率更小用于散热的表面积相比于to -220封装MOSFET。

热性能路由和跟踪规范

PCB走线不仅可以作为电流的传导元件，还可以帮助将热量从最热的组件中转移出去。

痕迹长度和宽度

对于大电流的电源走线，应使其尽可能短，并远离其他敏感电路。减小电流流过的长度可以使迹电感最小化，并减少可能产生的噪声。考虑用45度角或者圆角来代替直角。同时，增加跟踪宽度，因为狭窄的跟踪会导致性能下降。宽的走线减少了电感和电阻，从而减少了热量的产生。注意，改变迹线几何形状会影响交流信号看到的迹线阻抗。这可能导致需要这样做更改堆叠保持阻抗与源和负载组件所需的预定义值相匹配。