如何使用铝基板PCB散热

带有铝复合 PCB(通常称为铝基板,Aluminum Base PCB)是一种以铝合金为基材的特殊印制电路板,核心是通过 “金属基板 + 绝缘层 + 电路层” 的复合结构,解决传统 FR-4 PCB 散热能力不足的问题,专门用于高功率元器件的安装与散热。

当 MOS 管功率>10W 或工作环境温度较高(如工业设备、汽车电子),需通过外部散热部件构建 “MOS 管→PCB→外部散热器” 的高效热路径。

铝复合 PCB 的核心组成

铝复合 PCB 的结构从下到上分为三层,各层功能明确,共同实现 “电路连接 + 高效散热” 的双重需求。

结构层级
核心材质
厚度范围
核心作用
1. 基材层(底层)
铝合金板材
0.2-5.0mm
作为 PCB 的支撑骨架,同时是主要的散热载体,将热量快速传导至外部(如散热器、空气)
2. 绝缘导热层(中间层)
陶瓷填充的聚合物(如环氧树脂 + 氧化铝 / 氮化铝)
20-200μm
关键功能层,既要隔绝电路层与基材层(防止短路),又要具备高导热性(让电路层的热量高效传递到基材层)
3. 电路层(顶层)
电解铜箔(常用 1oz-4oz,即 35-140μm)
35-140μm
与传统 PCB 的电路层一致,通过蚀刻形成导电线路,用于焊接元器件(如 MOS 管、LED、功率芯片)并实现电路连接

解决传统 PCB 的散热

传统 FR-4 PCB(玻璃纤维环氧树脂基板)的导热率极低(仅 0.2-0.3W/m・K),无法满足高功率元器件的散热需求,而铝复合 PCB 的核心价值就是通过 “高导热结构” 弥补这一缺陷,具体作用可分为三类:

高效散热:降低元器件结温铝复合 PCB 的整体导热率可达 1-10W/m・K(远高于 FR-4),能将高功率元器件(如 MOS 管、LED 灯珠)工作时产生的热量,通过 “电路层→绝缘导热层→铝基材层” 快速传导出去,再由铝基材层扩散到空气或外部散热器,避免元器件因局部积热导致结温过高(如 MOS 管结温超过 150℃会烧毁),延长元器件寿命(通常可使高功率器件寿命提升 2-3 倍)。

稳定支撑:适配高功率场景安装铝基材的机械强度远高于传统 FR-4 PCB(抗弯曲、抗冲击能力更强),能承受高功率元器件的重量(如大型功率模块),同时可直接与金属散热器、外壳贴合安装(无需额外固定支架),适配工业设备、汽车电子等对 PCB 稳定性要求高的场景。

降低热应力:减少元器件损坏风险传统 FR-4 PCB 与金属散热器的热膨胀系数(CTE)差异大(FR-4 约 13ppm/℃,铝约 23ppm/℃),温度变化时易因热胀冷缩导致元器件焊接处开裂;而铝复合 PCB 的基材本身就是铝合金,与外部金属散热器的热膨胀系数更接近,可减少热应力带来的机械损伤,提升整体电路的可靠性。

在中高功率应用中,用石墨铝复合均温板代替铝合金具有一定的可行性。

  • 散热性能优势
    • 高导热性
      :石墨铝复合均温板具有出色的导热性能,其面内热导率>500W/mK,面外>150W/mK,能够快速均匀地散热,相比传统铝合金,能更有效地将热量从功率器件等热源处传导出去。例如,在车载毫米波雷达中,石墨烯铝复合均温板可使芯片壳温下降10℃以上。
    • 均温性好
      :均温板的结构设计使其能够将热量在整个板面上均匀分布,减小温度梯度,避免局部过热现象。如退火热解石墨复合铝基均温板可利用石墨的高横向热导率,将高热流密度能量横向扩散至整个蒸发面,减小热冲击。
  • 重量优势
    • 石墨铝复合均温板的密度仅为传统铜均热板的 1/3,与铝合金相比也具有一定的重量优势,这对于对重量敏感的应用场景,如航空航天、车载电子等非常重要,既能满足散热需求,又有助于实现设备的轻量化设计。
石墨铝复合均温板的成本相对较高,在预算有限的情况下,可能会限制其应用范围。

铝复合 PCB 的典型应用场景

正因为其 “高导热 + 稳定支撑” 的特性,铝复合 PCB 主要用于 “元器件发热量大、对散热要求高” 的场景,常见应用包括:

  • 功率电子领域:如 MOS 管、IGBT、整流桥等功率器件的安装(如开关电源、逆变器、电机控制器);

  • 照明领域:高功率 LED 灯板(如 LED 路灯、汽车大灯,LED 工作时 70% 以上的能量转化为热量,需铝基板散热);

  • 汽车电子领域:如车载电源模块、发动机控制单元(ECU)、新能源汽车的三电系统(电池、电机、电控);

  • 工业控制领域:如变频器、伺服驱动器中的高功率电路部分。

作者:极客石头

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