高功率PCB設計的散熱管理

作者 : Stefano Lovati,EEWeb特約作者

為了符合系統的尺寸、重量和功率等要求,設計人員面臨著越來越嚴苛的挑戰,其中包括有效的散熱管理,這可以從電路板(PCB)的設計開始…

整個電力電子產業,包括射頻(RF)應用和涉及高速訊號的系統,都正朝著在日益小型化的空間中提供功能越來越複雜的解決方案發展。設計人員在滿足系統尺寸、重量和功率等要求方面面臨著越來越嚴苛的挑戰,其中包括有效的散熱管理,這可以從電路板(PCB)的設計開始談起。

高密度整合的主動功率元件(例如MOSFET電晶體)會散發大量的熱,因此,PCB必須能將熱量從最熱的元件傳遞到接地層或散熱表面,從而盡可能高效地運行。熱應力是功率元件故障的主要原因之一,因為它會導致性能退化,甚至可能導致系統失靈或故障。元件功率密度的快速成長以及頻率不斷提高,是造成電子元件過熱的主要原因。雖然寬能隙材料等具有更低功率損耗和更佳導熱性的半導體越來越被廣泛使用,但其本身並不足以因應對於有效散熱管理的需求。

目前矽基功率元件可實現的接面溫度在大約125℃和200℃之間。但是,最好始終讓元件工作不超過此極限條件,以避免元件快速老化並縮短其剩餘壽命。事實上,據估計,如果散熱管理不當導致工作溫度升高20℃,則由此導致元件的剩餘壽命減少將高達50%。

佈局方法

許多專案中常見的散熱管理方法是使用具有標準阻燃等級4級(FR-4)的基板,這是一種成本不高且易於加工的材料,專注於電路佈局的散熱最佳化。

主要採用的措施包括提供額外的銅表面、使用更厚的走線以及在產生最大熱量的元件下方插入散熱孔。為了散發更多熱量的更激進技術還包括把真正的銅塊插入PCB或施加到最外層,這種銅塊通常呈硬幣形狀,因此得名「銅幣」(copper coin)。在單獨加工銅幣後,可將其焊接或直接貼附在PCB上,也可以將其插入內層,透過散熱孔與外層連接。1所示的PCB中製作了一個特殊的空腔以容納「銅幣」。

PCB with a copper coin - Thermal management

圖1:帶有銅幣的PCB。

銅的導熱係數為380W/mK,而鋁為225W/mK,FR-4則為0.3W/mK。銅是一種相對便宜的金屬,已廣泛用於PCB製造;因此,它是製作銅幣、散熱孔和接地層的理想選擇——所有這些解決方案都能夠改善散熱。

正確地在電路板上放置主動元件,是防止形成熱點的關鍵因素,從而能夠確保熱量盡可能均勻地分佈在整個電路板上。在這方面,應該不按特定順序地將主動元件分佈在PCB周圍,從而避免在特定區域形成熱點。但是,最好避免將產生大量熱量的主動元件放置在電路板邊緣附近。相反地,應盡可能將其靠近電路板的中心放置,從而有利於均勻的熱量分佈。如果將高功率元件安裝在電路板邊緣附近,則會在邊緣積聚熱量,從而增加局部溫度。另一方面,如果將其放置在電路板中心附近,熱量將會沿表面向各方向散發,使溫度更容易降低,熱量也更容易散發。盡可能不要將功率元件靠近敏感元件放置,彼此之間應當適當間隔。

採用主動冷卻和被動冷卻系統(例如散熱器或風扇),能夠進一步改進在佈局層級所採取的措施——這類冷卻系統可以去除主動元件中的熱量,而不是直接將其散發到電路板中。一般來說,設計人員必須根據特定應用的要求和可用預算,在不同的散熱管理策略之間找到合適的折衷方案。

PCB基板選擇

FR-4由於導熱率低(介於0.2和0.5W/mK之間),通常不適合需要散發大量熱量的應用。高功率電路中所產生的熱量可能相當可觀,而且這些系統經常在惡劣的環境和極端溫度下運行。相較於傳統上使用FR-4,採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,陶瓷材料為高功率PCB的散熱管理提供了明顯優勢。這類材料除了可提高導熱性外,還具有出色的機械性能,因而有助於補償重複熱循環過程中所積累的應力。此外,陶瓷材料在高達10GHz的頻率下具有較低的介電損耗。對於更高的頻率,則總是可以選擇混合材料(例如PTFE),這類材料可提供同樣低的損耗,但熱導率會適度降低。

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之外,還提供了一種可以將熱量從元件中轉移出去的出色解決方案。尤其是鋁還是一種優質的導體,具有優越的耐久性、可回收且無毒。由於熱導率高,金屬層有助於在整個電路板上快速傳遞熱量。有些製造商還提供金屬包覆的PCB,其中兩個外層都是金屬包覆的,通常是鋁或鍍鋅銅。從單位重量成本的角度來看,鋁是最佳選擇,而銅則具有更高的熱導率。鋁還被廣泛用於製造支援高功率LED的PCB (如2中的示例所示),其中,它能夠將光從基板反射出去的特性也特別有幫助。

aluminum PCB - Thermal management

圖2:用於高功率RGB LED的鋁PCB示例。

甚至是銀,由於其熱導率比銅高約5%,也可用於製作走線、通孔、焊盤和金屬層。此外,如果電路板用於存在有毒氣體的潮濕環境中,則在裸露的銅走線和銅焊盤上使用銀飾面將有助於防止腐蝕——這是在這類環境中已知的典型威脅。

金屬PCB也稱為絕緣金屬基板(IMS),可以被直接層壓到PCB中,形成具有FR-4基板和金屬芯的板子。其中採用了具有深度控制佈線的單層和雙層技術,藉此就可將熱量從板載元件轉移到不太重要的區域。在IMS PCB中,一層導熱薄層但電氣絕緣的電介質,被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,金屬基底透過該薄電介質從電路吸收熱量。

IMS PCB提供的主要優勢如下:

  • 散熱明顯高於標準FR-4結構。
  • 電介質的熱導率通常比普通環氧樹脂玻璃高5到10倍。
  • 熱傳遞的效率比傳統PCB高得多。

除了LED技術(照明號誌、顯示器和照明)之外,IMS電路板也廣泛用於汽車產業(前照燈、引擎控制和動力轉向)、電力電子(直流電源、逆變器和引擎控制)、開關和半導體繼電器等領域。

(參考原文:An Approach to Thermal Management of High-Power PCBs,by Stephen Woodward)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年7月號雜誌

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