被動和主動散熱技術概述

2021-07-13

被動和主動散熱技術概述

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

雖然您無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來幫助在電路板周圍傳輸熱量并最終將其消散到周圍環境中。您的熱管理策略可能需要多種散熱方法和組件，從簡單到每個有源組件上的散熱器，再到冷卻風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，您可以設計一個完整的熱管理策略，其中包括主動和/或被動散熱技術。目標是將熱量從有源組件轉移到電路板可以將熱量散發到周圍環境的部分。每個電路板所需的策略會有所不同，但您可以使用正確的設計工具實施最適合您的系統的策略。

一個統一的 PCB 設計包，將先進的 PCB 設計和布局功能與全面的元件庫和生產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幫助消除關鍵組件的熱量。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圍空氣。這些熱管理方法可以分為被動方法和主動方法。通過主動和被動方法的正確組合，您可以幫助應對電路板中不必要的溫升。

主動與被動熱管理

主動和被動散熱技術的設計目標相同：從組件中帶走熱量并將其消散到周圍空氣中，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，因為熱傳導是通過基板和印刷電路板上的導體進行的。將熱量散發到空氣中的唯一被動熱管理技術是從散熱器或從基板本身直接傳導到周圍空氣中。

主動熱管理技術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來，或者利用熱相變來去除有源組件的熱量。您無需在主動和被動熱設計技術之間進行選擇；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現這兩者。

PCB散熱的重要性

每個工作組件都會像一個熱源一樣，在運行過程中，您的電路板溫度不可避免地會升高。因此，您需要制定一種策略來消除有源組件的熱量并將其散布到整個電路板上，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看，被動加熱技術是最容易實施的。

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。您可以使用仿真驅動的工作流程來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 散熱的主動和被動技術

您可以使用多種常見的主動和被動技術來散發組件和電路板基板的熱量。從信號完整性的角度來看，使用無源元件是最好的策略，因為這些元件不需要任何移動部件或用于散熱的電源。主動冷卻方法更強大，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 和其他設備等主動設備最常見的被動冷卻方法之一。這些組件會產生大量熱量，而大多數電路板基板材料的低導熱性會導致熱量積聚在這些組件下方的基板中。隨著基板膨脹，基板中的導電跡線和通孔會承受很大的應力。如果電路板在極端溫度之間反復循環，較細的走線可能會從基板上分層，下一個過孔可能會在極端壓力下破裂。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。

任何散熱器都應安裝到帶有導熱墊或導熱膏的組件上。這兩種安裝技術都利用了散熱器和焊盤/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圍的空氣中。在產生大量熱量的有源組件上放置散熱器是任何無源冷卻策略的重要組成部分，盡管這可能會在保持小尺寸方面產生問題。

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上。這些通孔將穿過電路板基板，并且它們可以填充低熱阻環氧樹脂以將熱量從相關組件傳導出去。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熱傳導方面發揮著重要作用。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，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）。一旦熱量確實離開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。

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。一個很好的例子是鋁芯 PCB，它以低成本提供高導熱性。

主動冷卻系統

最簡單的主動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扇。FPGA 和微處理器等高功率組件通常將散熱器與冷卻風扇結合在一起。更積極的主動冷卻方法包括液體冷卻，其中流體流過熱組件并將熱量傳導到散熱器。更具侵略性的是蒸發式熱交換器，它通過在封閉系統內引起流體的相變來散熱。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

用于控制電路板周圍和遠離電路板的熱傳導的最佳軟件將在單個程序中包括一整套布局、組件管理、模擬和生產計劃功能。您應該可以訪問熱設計所需的組件以及其他重要的設計和分析功能。再加上一個全面的 PCB 材料庫和疊層設計器，您就可以為下一個電路板快速實施熱管理策略。

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應用程序中。您將可以訪問一組強大的仿真和分析功能，以及用于訪問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應用程序中訪問，并構建在統一的規則驅動設計引擎上。

Altium Designer 中的布線工具允許您輕松地通過過孔布線，以及在整個 PCB 上快速放置過孔。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 包括一個疊層材料庫，允許您從廣泛的標準 PCB 基板材料中進行選擇。您將能夠在 Altium Designer 中輕松設計層堆棧和過孔。

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。您將可以使用生產計劃工具，這些工具可提供真正的供應鏈可見性，而無需整合第 3 方應用程序。您還可以在為生產準備產品的同時為制造商生成標準可交付成果。