一文详解PCB的热管理和热导率

随着电子元件功率密度的增加，它们的工作结温会超出极限，从而将更多的热能消散到封装、PCB和外壳上。电子元件散发的一小部分热量通过引线和外壳传递到PCB，随着功率密度的增加，这一份额也随之增加。PCB的热导率是影响电路板热功率损耗耗散的重要因素。通过封装、PCB和外壳的正确设计和材料选择来优化组件的热特性至关重要。让我们更详细地讨论PCB的热管理和热导率。

一、PCB热处理

电子元件会产生热能并将大量热量散发到PCB上。诸如散热器之类的热管理技术通常用于加快从电子元件到环境的散热速率。散热器提供从结到外壳和外壳到环境的低热阻，从而促进热传递。在为感兴趣的电子元件指定散热器时，通过PCB的热能耗散变得很重要。PCB的热特性对组件的工作结温至关重要。随着高功率密度和高速电子电路设计的普及，PCB的导热性能更加关键。

二、PCB的热导率

PCB是由铜箔和玻璃增强聚合物组成的分层结构，它们将组件电气连接并使用焊盘、导电迹线和通孔以机械方式支撑它们。高导热铜箔夹在低导热玻璃环氧树脂层之间。铜形成PCB中的导电电路，而玻璃环氧树脂层是非导电基板。

三、PCB导电材料

最常用的导电材料是铜。其他选择包括铝、铬和镍。最常用的非导电基材是FR-4层压板。铜的导热系数约为400W/m/K，FR-4的导热系数为0.2W/m/K。铜充当热导体，层压板充当热绝缘体。铜和FR-4的热导率存在巨大差异，这使得PCB的有效热导率各向异性。

四、PCB的有效平行和法向热导率

开发PCB内的热传递模型非常重要，因为PCB中的散热会严重影响最高电路板温度和组件工作温度。为了预测到PCB的热传递，PCB被建模为具有两个有效热导率的单个单元。假设通过PCB的复合层进行一维热传导并忽略铜和玻璃环氧树脂层之间的热常数电阻，获得的有效热导率为：

（1）有效平行热导率：描述PCB板平面内的热流。

（2）有效法向热导率：描述通过PCB板厚度的热流。

PCB的有效平行和法向热导率取决于PCB的总厚度以及铜层和玻璃环氧树脂层的厚度。PCB的热导率对信号层中存在的铜量很敏感。类似地，有效热导率在内部铜层的存在及其到顶层的距离下会有所不同。

让我们看一个具体的例子：顶层有铜的PCB。顶层的铜会导致热量在大面积上扩散。它提供了一条低电阻路径，可防止热量散发到PCB板中。对于顶层有铜和没有铜的PCB，有效平行和正常热导率的值是不同的，从而使两种情况下PCB的有效总热导率不同。

我们可以得出结论，层的放置、元件尺寸和操作条件对PCB的有效导热率有重大影响，使其成为PCB设计中的关键要素。电路设计工程师必须将热导率作为决定设计过程中电路板散热方式的关键因素。