现代电子产品使用高性能处理器、MOSFET、高功率 LED、IGBT 等组件。我们知道电子行业的趋势是使这些组件变得更小，但这会导致产生局部热点。PCB 热点处的高温可能会导致设备故障。因此，必须在 PCB 中实施PCB 热管理技术。
热性能是设计电子产品时要考虑的最关键因素之一。为了解决发热问题，PCB 设计人员需要采用减少发热影响的技术。这意味着设计人员需要学习电子设备中使用的冷却方法，并且需要了解减少内部发热的技术。
在这篇文章中，我们将讨论以下主题：
热建模是用于进行热故障分析的关键工具，能够使设计人员很好地了解与其电路设计相关的各种热问题。此外，它还有助于选择适当的冷却方法和 PCB 设计技术。
PCB 设计人员可以使用合适的建模软件找出 layout 中不同组件的最佳设计和定位。热建模在这些方面对设计人员提供有效帮助：热流模式、散热器设计和有源器件的冷却方法。
在这里，我们提到了几种可减少 PCB 热量的 PCB 热管理技术。
▶识别热点和大电流走线
为了制造热稳定的 PCB，必须在设计阶段研究热效应。热设计的第一步是识别热点。热建模或热模拟技术用于寻找热点。此外，还必须进行电流分析，因为大电流走线会导致热量产生。
组件和大电流走线的正确几何排列可以实现热量的均匀分布。大电流走线必须远离热敏感元件，例如传感器和运算放大器。
▶铜厚和走线宽度
图：走线宽度
铜焊盘或走线的厚度和宽度在 PCB 热设计中起着重要作用。铜走线厚度应足以为通过它的电流提供低阻抗路径。这是因为铜走线和通孔的电阻会导致显著的功率损耗和热量产生，特别是当它们承受高电流密度时。因此，建议有足够的走线宽度和厚度以减少热量的产生。
▶PCB 热管理中的焊盘设计
图：铜焊盘
- 就像走线厚度一样，焊盘厚度也很重要。热量直接向顶部铜层散发。因此，顶部铜焊盘必须具有足够的厚度和面积，以提供足够的散热。
- 如果 PCB 设计中有散热器，它们通常安装在底部铜焊盘上。因此，底部铜焊盘应具有足够的覆盖范围，以便热量高效地传递至散热器。
- 元件引脚焊接到 PCB 上并由焊盘支撑。该元件直接连接到焊盘，这使得 PCB 的热阻非常低。电路板上使用了一种特殊的焊盘，即导热焊盘。该焊盘仅通过薄桥连接至浇注在周围的铜。
- 用于连接元件封装和焊盘的焊膏应该最少，过多的焊膏可能会导致回流焊期间元件漂浮在熔化的焊料池上。当发生这种情况时，元件往往会移动。封装浮动问题的解决方案是优化焊膏体积。
▶PCB 中高功率元件的放置
图：放置在 PCB 中的高功率元件
为了更好的散热，处理器和微控制器等大功率组件应放置在PCB的中心。如果大功率元件安装在靠近板边缘的位置，则会在边缘处积聚热量，导致局部温度升高。但如果设备放置在电路板的中心，热量就会向各个方向扩散到表面。这样 PCB 的表面温度就会较低并且容易散热。另外，请确保将高功率组件放置在远离敏感设备的位置，并在两个高功率设备之间保持适当的间距。尝试将高功率组件均匀地放置在 PCB 上。
▶用于 PCB 散热的热通孔
散热孔是电路板散热的最简单方法。在继续之前，让我们先了解一下热阻。热阻是阻碍热量流 过导体的障碍的量化术语。它等于封闭表面上两点之间的温差除以总热流。
热阻 ：Rth = T1 – T2/ P（热流量）= ΔT（温度差 ） / P（热流量）【℃/W】
从上式可以看出，热阻越高，热流和散热越困难。较厚的材料比较薄的材料具有较低的热阻。因此，较厚且热阻较低的 PCB 材料可以散发更多热量。
为了提高散热率，散热孔是一个不错的选择。它们是导热金属桶，提供从顶部铜到电路板底部 表面的低热阻路径。这些通孔集成在加热组件的正下方，以促进使用传导方法的耗散过程。
散热孔结构
没有完美的方法来设计散热孔。然而，热通孔的一般结构如下所述：
- 散热孔是与增强厚度的铜层接触的通孔。
- 通孔填充有导热环氧树脂并覆盖有铜。因此，填充和封盖的通孔将用作热管，用于将热量从热点传输出去。
- 它们用阻焊层密封，以确保附着在其上的元件良好焊接。
- 填充和封盖通孔在较厚的电路板（厚度 > 0.7 mm ）中实现。虽然散热孔的直径没有实验结果，但优化后的散热孔直径为 0.3 mm。
- 为了实现热分布，先在热通孔下方添加一个铜焊盘。记住，铺铜面积一定要大一些。否则，对散热的影响可以忽略不计。
电路板中散热孔的放置
定位散热孔并对其进行排列至关重要。这些通孔的导热率高于FR4。
图：PCB 中散热孔的放置
每个过孔都具有电感。有趣的事实是，如果过孔平行排列并连接到接地平面，只 要受热组件的底部导体接地，就可以实现最低电感的返回路径。因此，应尽可能地增加 PCB 中的散热孔。这些将建立低热阻并加速传热过程。电源 IC 和处理器下的散热过孔数量应由设计人员考虑散热范围和表面积来确定。
散热孔的局限性
- 大多数情况下需要铜平面来提供更好的散热效果。
- 影响仅限于过孔所在的特定区域。
▶散热器
图：连接在 PCB 中的散热器
散热器是一种将 PCB 元件散发的热量转移到冷却介质中的冷却方法。散热器的工作原理是传 导原理，即热量从高热阻区域传递到低热阻区域。热量也从高温区域流向低温区域，热流量与 温差成正比。散热器将 PCB 上的热量吸走至散热片，散热片提供更大的表面积以加快散热速 度。
设计人员可以根据几个因素为其设计选择合适的散热器。例如，所用材料的热阻率、水槽内冷 却流体的速度、所使用的热界面材料、翅片数量和翅片之间的间距、所使用的安装技术等。
▶集成热管
图：一种热管的工作流程
热管是常用于火箭、卫星和航空电子设备等高温应用的冷却装置。热管大多为空心圆柱形， 但也可以方便地制成任何形状。
各种器件散发的热量传递到热管内的液体并使液体蒸发。汽化后的液体在冷凝器端冷凝，并通过毛细管作用通过吸液芯结构返回蒸发器。这个循环过程可确保散发的热量从 PCB 流出。
设计人员应考虑完全覆盖其热源的热管，并且应该能够根据您的设计要求弯曲。有多种热管工作流体可供选择，从制冷剂到液态金属。工作流体的选择取决于电路的温度范围以及流体与容器和热管吸液芯的化学相容性。
▶较厚的PCB板
图：厚度更大的PCB板
对于较小的设备，散热器、热管、冷却风扇等冷却方法或许不是最优选择。在这种情况下，可以选择增加电路板的导热率并分散产生的热量。厚板表面积较大，散热更快。
PCB 的导热率取决于所用材料的热膨胀系数 (CTE) 及其厚度。设计人员必须特别注意为 PCB 叠层中的每一层材料的选择。当不同层中使用的各种材料的热膨胀系数不匹配时，在重复热循环时，会发生疲劳而降低热导率。通孔和焊球中的铜镀层在高热循环下更容易受到损坏。
▶集成冷却方式
图：带有一个过孔的集成冷却器
与传统的散热器和风扇相比，集成冷却技术可实现更高的导热系数。其概念是将冷却剂通过专用通孔直接送达处理器或 BGA 或任何发热组件的底部。
过孔的数量应由设计者根据安装组件的热标准确定。首先考虑单个通孔，或根据需要添加更多通孔，这取决于冷却流体的速度和组件的表面积。
图：使用内置热交换器的集成冷却器
还有其他类型的集成冷却方法，例如上述的内置冷却方法。在此方法中，热交换器被合并在 PCB 板的内部。由于不需要外部散热器或冷板，因此减少了PCB 组装步骤和最终产品的重量。但这些冷却器需要冷却通道周围具有非常高的热通孔密度。
▶散热风扇
图：散热风扇
我们在本文中介绍了几种冷却方法，例如散热器、热管、PCB 中的散热孔等。所有这些技术都通过传导来交换热量，但这在许多情况下是不够的。冷却风扇采用对流热传递方法，为设计人员提供了一种将热量从组件中带走的更有效的方法。
风扇的效率取决于从设备中推动特定体积空气的能力以及放置风扇的兼容性。设计人员在选择风扇时必须考虑摩擦、尺寸、噪音、成本、操作、功率要求等。但风扇的主要目的是推动一定量的空气，这意味着流量是选择冷却风扇的首要因素。
▶焊料浓度
器件接头的焊料厚度应均匀，以减少元件引线上的热量积聚。在通孔附近焊接时应格外小心。焊料有可能过度填充孔洞，导致电路板底部出现凸起，从而减小散热器的接触面积。
图：焊料溢出到通孔中
PCB 设计人员有两种避免焊料溢出的方法。第一种是将通孔直径减小到 0.3 毫米以下。通孔越小，通孔内液态焊料的表面张力就能更好地抵消焊料上的重力。
第二种方法是称为 “遮蔽”（tenting）的工艺。它是在通孔的焊盘上覆盖一层阻焊层，以防止焊料流向通孔。
▶热电冷却器（TEC）
图：热电冷却器 (TEC)
热电冷却或珀尔帖热泵方法利用珀尔帖效应进行冷却。珀尔帖效应是热蒸汽产生的反向作用。这些设备可以将元件冷却到环境温度以下。
TEC 用于需要将元件温度控制在特定水平的场合。例如 CCD 相机（电荷耦合器件）、激光二极管、微处理器、夜视系统等。TEC 可提供精确的温度控制和更快的响应速度。设计人员可将 TEC 与空气冷却或液体冷却技术相结合，以扩展高功率耗散处理器的传统空气冷却极限。商用珀尔帖泵的陶瓷面尺寸范围很广，冷却侧从 3.2 × 3.2mm² 到 62 × 62mm²，底座（加热侧）从 3.8 × 3.8mm² 到 62 × 62mm²。
▶PCB 的热仿真
图：PCB 的热模拟。图片提供：Allegro
详细的热模拟有助于精确地找到 PCB 中热点的温度。热模拟是在不同条件下获得的发热区域温度的色标图。模拟中的温度单位始终为摄氏度 (°C)。色标图是通过计算 PCB 上数千个点的温度获得的。
▶为什么要进行热仿真？
- 定位热点以避免设备故障的风险
- 确定具有不同 CTE 值的介电材料的可靠性
- 提高产品可靠性
- 热模拟可以通过减少工程延迟、现场故障和产品迭代来降低实施成本。
- 改善工程和电气团队之间的绩效和沟通
