被動(dòng)和主動(dòng)散熱技術(shù)概述

2021-07-13

被動(dòng)和主動(dòng)散熱技術(shù)概述

當您的印刷電路板運行時(shí)，有源元件的功耗會(huì )導致結溫升高，熱量開(kāi)始從元件流入導體和基板。PCB 基板材料的導熱性往往較低，會(huì )導致 PCB 出現熱點(diǎn)和高溫等熱問(wèn)題。將組件的溫度保持在其額定最大值以下需要散熱技術(shù)，以幫助熱傳導遠離印刷電路板的熱區域。

雖然您無(wú)法在不使用特殊材料或金屬芯的情況下補償大多數 PCB 基板材料的低導熱性，但您可以使用一些熱設計技術(shù)來(lái)幫助在電路板周?chē)鷤鬏敓崃坎⒆罱K將其消散到周?chē)h(huán)境中。您的熱管理策略可能需要多種散熱方法和組件，從簡(jiǎn)單到每個(gè)有源組件上的散熱器，再到冷卻風(fēng)扇和奇特的基板材料。

使用正確的電路板基板材料、PCB 布局工具和組件選擇，您可以設計一個(gè)完整的熱管理策略，其中包括主動(dòng)和/或被動(dòng)散熱技術(shù)。目標是將熱量從有源組件轉移到電路板可以將熱量散發(fā)到周?chē)h(huán)境的部分。每個(gè)電路板所需的策略會(huì )有所不同，但您可以使用正確的設計工具實(shí)施最適合您的系統的策略。

一個(gè)統一的 PCB 設計包，將先進(jìn)的 PCB 設計和布局功能與全面的元件庫和生產(chǎn)規劃功能集成在一起。

運行期間電路板的溫升是不可避免的，但您可以使用正確的散熱技術(shù)幫助消除關(guān)鍵組件的熱量。作為綜合熱管理策略的一部分，您需要確定防止形成熱點(diǎn)的最佳組件布局，并采取一些措施使熱傳導到電路板的較冷區域或周?chē)諝?。這些熱管理方法可以分為被動(dòng)方法和主動(dòng)方法。通過(guò)主動(dòng)和被動(dòng)方法的正確組合，您可以幫助應對電路板中不必要的溫升。

主動(dòng)與被動(dòng)熱管理

主動(dòng)和被動(dòng)散熱技術(shù)的設計目標相同：從組件中帶走熱量并將其消散到周?chē)諝庵?，或者將其消散到溫度較低的電路板部分。將熱量傳輸到電路板較冷的區域需要仔細的疊層設計和 PCB 材料選擇，因為熱傳導是通過(guò)基板和印刷電路板上的導體進(jìn)行的。將熱量散發(fā)到空氣中的唯一被動(dòng)熱管理技術(shù)是從散熱器或從基板本身直接傳導到周?chē)諝庵小?span>

主動(dòng)熱管理技術(shù)提供了更積極的方法，可以在運行期間將熱量從電路板上帶走。這需要使用一種系統，將冷空氣或液體從熱組件吸引過(guò)來(lái)，或者利用熱相變來(lái)去除有源組件的熱量。您無(wú)需在主動(dòng)和被動(dòng)熱設計技術(shù)之間進(jìn)行選擇；如果您需要更積極的冷卻策略，您可以在您的印刷電路板中實(shí)現這兩者。

PCB散熱的重要性

每個(gè)工作組件都會(huì )像一個(gè)熱源一樣，在運行過(guò)程中，您的電路板溫度不可避免地會(huì )升高。因此，您需要制定一種策略來(lái)消除有源組件的熱量并將其散布到整個(gè)電路板上，以便將組件溫度保持在可接受的范圍內。

熱設計和仿真軟件可以幫助您在設計期間驗證您的熱策略。這需要您了解電路板基板材料和組件的熱特性。組件的功率耗散額定值和基板材料的熱阻測量可用于創(chuàng )建全面的熱模擬，使您能夠在運行期間可視化電路板中的穩態(tài)溫度分布。

從元件選擇、PCB 布局、PCB 材料選擇和疊層設計角度來(lái)看，被動(dòng)加熱技術(shù)是最容易實(shí)施的。

以高電流運行的設備將需要一些特殊的熱管理策略，這些策略也可用于低電流的電路板。

電路板中的熱設計、電源完整性和信號完整性都密切相關(guān)。您可以使用仿真驅動(dòng)的工作流程來(lái)驗證您的熱設計策略并確保您的電路板溫度保持在可接受的范圍內。

Altium Designer 中的熱設計和電源完整性仿真結果

PCB 散熱的主動(dòng)和被動(dòng)技術(shù)

您可以使用多種常見(jiàn)的主動(dòng)和被動(dòng)技術(shù)來(lái)散發(fā)組件和電路板基板的熱量。從信號完整性的角度來(lái)看，使用無(wú)源元件是最好的策略，因為這些元件不需要任何移動(dòng)部件或用于散熱的電源。主動(dòng)冷卻方法更強大，但您需要考慮組件設計如何影響運行期間的電源和信號完整性。

散熱器

散熱器是高速處理器、MCU、FGPA 和其他設備等主動(dòng)設備最常見(jiàn)的被動(dòng)冷卻方法之一。這些組件會(huì )產(chǎn)生大量熱量，而大多數電路板基板材料的低導熱性會(huì )導致熱量積聚在這些組件下方的基板中。隨著(zhù)基板膨脹，基板中的導電跡線(xiàn)和通孔會(huì )承受很大的應力。如果電路板在極端溫度之間反復循環(huán)，較細的走線(xiàn)可能會(huì )從基板上分層，下一個(gè)過(guò)孔可能會(huì )在極端壓力下破裂。這在使用高縱橫比的小直徑未填充通孔的印制板中尤為常見(jiàn)。

任何散熱器都應安裝到帶有導熱墊或導熱膏的組件上。這兩種安裝技術(shù)都利用了散熱器和焊盤(pán)/焊膏材料的低熱阻。這有助于熱量從組件傳導到散熱器，在那里熱量可以消散到周?chē)目諝庵?。在產(chǎn)生大量熱量的有源組件上放置散熱器是任何無(wú)源冷卻策略的重要組成部分，盡管這可能會(huì )在保持小尺寸方面產(chǎn)生問(wèn)題。

熱通孔

散熱孔的明智設計和放置將有助于在工作期間將有源組件的結溫保持在較低水平。散熱孔位于有源元件下方，可以焊接到集成電路底部的芯片連接焊盤(pán)上。這些通孔將穿過(guò)電路板基板，并且它們可以填充低熱阻環(huán)氧樹(shù)脂以將熱量從相關(guān)組件傳導出去。您可以將熱通孔接地，以提供與內部銅平面的直接連接，從而為散熱到電路板較冷區域提供低熱阻路徑。

層堆棧設計

您的層堆棧在提供遠離有源組件的被動(dòng)熱傳導方面發(fā)揮著(zhù)重要作用。層堆棧內層中的銅平面將為有源組件的熱量提供低熱阻路徑。當散熱孔與適當的層堆棧設計相結合時(shí)，您可以增加靠近組件的 PCB 基板的有效熱量，并有助于防止組件溫度超過(guò)您的設計限制。

Altium Designer 中層堆棧的熱設計

異國情調的基板材料

陶瓷和金屬基板比 FR4 和其他層壓板具有更高的熱導率（即更低的熱阻）。一旦熱量確實(shí)離開(kāi)有源組件并傳導到您的基板中，具有更高導熱性的基板將使熱量快速移動(dòng)到電路板的較冷區域。這有助于確保您的 PCB 具有更均勻的溫度分布，并有助于消除有源組件下方的熱點(diǎn)。

在高溫應用中使用陶瓷是理想的，因為陶瓷 PCB 材料的熱導率值比標準 FR4 和類(lèi)似層壓板的熱導率值大 20 到 100 倍。這些板的機械強度也比 FR4 強，使其可用于高溫環(huán)境中的高功率機電應用。

金屬芯PCB

金屬芯 PCB 在以高功率運行的應用中特別有用，例如 LED 陣列和電力電子設備。金屬芯提供與具有高導熱性的基板材料相同的功能；它為熱量傳導到電路板的低溫區域提供了一條低熱阻路徑。金屬芯提供比內部銅層低得多的熱阻，因為金屬芯通常更厚。一個(gè)很好的例子是鋁芯 PCB，它以低成本提供高導熱性。

主動(dòng)冷卻系統

最簡(jiǎn)單的主動(dòng)冷卻系統是安裝在設備外殼邊緣或直接安裝在重要組件頂部的電風(fēng)扇。FPGA 和微處理器等高功率組件通常將散熱器與冷卻風(fēng)扇結合在一起。更積極的主動(dòng)冷卻方法包括液體冷卻，其中流體流過(guò)熱組件并將熱量傳導到散熱器。更具侵略性的是蒸發(fā)式熱交換器，它通過(guò)在封閉系統內引起流體的相變來(lái)散熱。后一種方法用于高度超頻的 PC，在游戲玩家中很受歡迎。

管理 PCB 散熱的最佳軟件

用于控制電路板周?chē)瓦h離電路板的熱傳導的最佳軟件將在單個(gè)程序中包括一整套布局、組件管理、模擬和生產(chǎn)計劃功能。您應該可以訪(fǎng)問(wèn)熱設計所需的組件以及其他重要的設計和分析功能。再加上一個(gè)全面的 PCB 材料庫和疊層設計器，您就可以為下一個(gè)電路板快速實(shí)施熱管理策略。

Altium Designer 中的集成熱設計

Altium Designer 的 CAD 和元件布局工具的獨特之處在于它們與其他重要的設計和布局工具集成在一個(gè)應用程序中。您將可以訪(fǎng)問(wèn)一組強大的仿真和分析功能，以及用于訪(fǎng)問(wèn)熱設計所需組件的統一組件庫。層堆棧管理器和材料庫為您提供了一套完整的熱設計工具，并允許您實(shí)施您可以想象的任何熱管理策略。

Altium Designer 將標準設計功能與仿真和分析解決方案集成在一起。您的重要設計工具都可以在單個(gè)應用程序中訪(fǎng)問(wèn)，并構建在統一的規則驅動(dòng)設計引擎上。

Altium Designer 中的布線(xiàn)工具允許您輕松地通過(guò)過(guò)孔布線(xiàn)，以及在整個(gè) PCB 上快速放置過(guò)孔。您還可以在電路板中的有源元件下方定義和放置散熱孔。

Altium Designer 包括一個(gè)疊層材料庫，允許您從廣泛的標準 PCB 基板材料中進(jìn)行選擇。您將能夠在 Altium Designer 中輕松設計層堆棧和過(guò)孔。

除了疊層設計和組件布局之外，Altium Designer 還包括許多其他設計功能。您將可以使用生產(chǎn)計劃工具，這些工具可提供真正的供應鏈可見(jiàn)性，而無(wú)需整合第 3 方應用程序。您還可以在為生產(chǎn)準備產(chǎn)品的同時(shí)為制造商生成標準可交付成果。