PCB 散熱設計指南

2021-07-13

PCB 散熱設計指南

從相對介電常數到熱膨脹，在設計階段需要考慮很多熱特性。在焊盤上放置散熱片有助于組裝，但這應該與其他管理電路板中熱傳輸的方法一起考慮。使用正確的 PCB 設計工具，您可以為重要組件設計散熱墊，并在您的電路板中加入其他重要的熱管理功能。Altium 在單個程序中為您提供這些重要的設計工具以及更多功能。

一個統一的 PCB 設計平臺，將高級 PCB 布局功能與全面的通孔和焊盤設計功能集成在一起。

盡管 FR4 因其低成本和多功能性而成為一種流行的基材，但由于其低導熱性，它給熱管理帶來了問題。由于銅具有高導熱性，因此在一些手動工藝和波峰焊工藝中，很難將焊盤加熱到合適的溫度以施加焊料，尤其是當焊盤通過通孔連接到內部平面時。管理電路板中的熱量分布和易于組裝需要在 PCB 中正確設計散熱墊以及使用其他方法來管理熱量。

如果您正在構建多層 PCB，那么您需要包括銅通孔以在電路板的內層之間布線，并且您可能會將表面貼裝元件放置在表面層的銅焊盤上。雖然每個焊盤和散熱裝置對于電氣和裝配都很重要，但它們也可以在電路板的熱調節中發揮作用。使用正確的 PCB 設計和布局工具，您可以輕松地在電路板上設計散熱孔和散熱裝置。

什么是散熱設計？

散熱墊提供了一種將熱量限制在墊上的方法，以便使用焊料將組件安裝到印刷電路板上。元件的焊盤通常通過阻焊層達到峰值，允許在組裝過程中將焊料放置在焊盤上。一些銅從散熱焊盤的邊緣被去除，在組裝過程中施加焊料時允許熱量被限制在焊盤中。

由于 FR4 的低導熱性，在應用焊料時，熱量很容易被限制在散熱墊上。這確保在手動組裝期間可以在組件上形成牢固的連接。這在波峰焊中也很重要，因為當連接到帶有通孔的內部平面時，沒有散熱片的焊盤可以快速去除表面的熱量。選擇在焊盤上放置散熱片的位置，同時還包括其他熱管理方法，可以確保在操作期間正確管理電路板中的熱量，同時確保電路板可以輕松組裝。

散熱設計和 PCB

散熱設計的目標是從通孔組件的焊盤周圍去除一些銅。您還可以在表面貼裝元件的焊盤上使用散熱設計，只要該焊盤是過孔焊盤即可。在這種情況下，通孔用作散熱裝置。這一點非常重要，因為表面貼裝組件的銅焊盤需要在焊盤邊緣保持一定的間隙，而您可以輕松地從通孔焊盤上去除一些銅，而不會影響正確安裝組件的能力。

不打算用作通孔組件的焊盤的過孔不應包括散熱焊盤。事實上，散熱孔對于從產生大量熱量的有源組件中去除熱量非常有用。通常在有源元件的底部放置散熱孔以通過將熱量傳輸到電路板來調節其溫度。在散熱墊中放置散熱孔會將孔連接到內部平面，但輻條和空隙用于限制內部連接中的金屬區域。如果您看一下下圖，您會看到熱浮雕的樣子。這些輻條和空隙對于焊接標準散熱焊盤中的通孔組件很重要。

從組裝和熱管理的角度來看，散熱墊都很重要。

您的內部接地層和電源層作為與熱通孔連接和整體熱管理策略的一部分非常重要。

作為 PCB 設計軟件的一部分，多邊形澆注功能對于設計可作為電路板散熱器的銅區域非常重要。

Altium Designer 中電源平面連接的散熱墊設計

超越散熱裝置：綜合熱管理

在某些 PCB 中，使用高電流的高功率組件和電路板在運行過程中會產生大量熱量，而 FR4 基板的低導熱性將這些熱量捕獲在電路板的特定區域。除了使用散熱孔之外，還有其他方法可用于從 PCB 散發和去除熱量。

您的 PCB 基板和疊層決定了 PCB 性能的許多重要方面，包括電路板中的熱傳輸和管理。您的基板的熱阻將決定您的電路板是否可以快速傳遞熱量，從而實現更均勻的溫度分布。當與散熱孔、散熱器、風扇和散熱墊結合使用時，您可以將熱量從組件中帶走并防止在電路板上形成熱點，同時確保在組裝過程中可以輕松地將焊料施加到組件上。

其他幫助熱量管理的方法

使用導熱墊連接散熱器以及使用風扇是將熱量從 PCB 中的關鍵有源組件帶走的兩種流行方法。電路板內層上的接地或電源平面也有助于在整個電路板上橫向移動熱量，從而有助于在遠離有源組件的地方產生更均勻的溫度分布。最后，電路板基板的導熱性決定了電路板在電路板周圍傳導熱量的速度。

除非您的電路板是由陶瓷材料或其他替代基板材料制成，否則您的標準 FR4 電路板將具有低導熱性。

高功率組件（如明亮的表面貼裝 LED）可以受益于使用鋁基板來減少熱量的產生。

除了使用替代基板和散熱孔之外，您還可以通過使用導熱墊或導熱膏將散熱器安裝到平面組件來幫助降低電路板的溫度。

您的基板材料和疊層將決定熱量在整個電路板上的傳遞方式

散熱設計的最佳軟件

您的散熱設計功能不應單獨出現在您的 PCB 設計軟件中。您將需要訪問一套全面的通孔和焊盤設計功能，以幫助您定義散熱設備和層堆棧的幾何形狀。當這些與您的布線功能一起出現時，您將擁有一套完整的用于散熱設計的 PCB 設計功能。

Altium Designer 中的集成散熱設計和疊層設計

Altium Designer 包括 CAD 工具，允許您在單個程序中輕松定義多邊形澆注、散熱孔、散熱墊和層堆棧。您可以通過通孔設計、焊盤設計和平面設計功能簡化用于熱管理的 PCB 設計過程。

Altium Designer 的集成設計環境在單個規則驅動的設計引擎之上統一了這些重要的設計功能以及更多功能。使用 Altium Designer 可以輕松定義焊盤形狀、通孔形狀、疊層和散熱設備。

Altium Designer 中的 PCB 設計規則引擎可以幫助確保您的散熱設計實際上是可制造的，并且符合重要的行業標準。

借助 Altium Designer 的材料疊層庫，您可以選擇標準基板材料作為綜合熱管理策略的一部分。

借助 Altium Designer 中超精確的 CAD 工具，您可以輕松定義重要組件的散熱墊，并設計有助于 PCB 熱管理的層堆棧。憑借其龐大的材料庫和直觀的疊層管理器，您可以在單個 PCB 設計程序中擁有一套完整的熱管理工具。通過將您的布局、管理和模擬功能集成到一個平臺中，您將擁有控制產品所有方面所需的重要設計功能。