电子系统热管理解决方案

在现代电子系统中，特别在电源应用中，有两个关注重点：效率和热管理。效率决定了实际上有多少电量无损传输；热管理则确保系统设备运行时保持可接受的温度水平。简单来说，热管理是指将过多热量从一处转移另一处。传统办法是在产生过多热量的特定部件上安装外部散热片。但是，如果PCB本身产生热量，或者部件机械结构不允许安装散热片，该怎么办？

如果电流传输不当，必然会转化成热能。必须消除这种热能，才能避免设备温度上升。如果降温不充分，则可能对部件造成损害或缩短部件的寿命。   就电子设备和 PCB而言，我们的目标是从部件转移走过多的热量，在PCB内部或两侧进行散热。为此，我们有时会结合被动散热方案，比如通过外部散热片进行通风或使用冷却液。

创新增加了对热管理的需求近年来，对电子系统热管理解决方案的需求稳步增长。NCAB 集团（美国）的技术经理Jeffrey Beauchamp 和NCAB集团（意大利）的FAE工程师 Mario Cianfriglia 解释了如何通过行业技术创新满足散热需求。   Jeffrey Beauchamp解释道，“当前，微型化是大势所趋，电子产品和部件变得越来越小，印刷电路板也愈加紧凑。这使得应用散热片等传统解决方案变得越来越困难，因为它们占据空间太大。因此，人们必须另辟蹊径，找到新办法。”   设计师面临的另一个新因素是电子产品需要执行更多的功能、更快的运算速度，那么就会产生更多的热量。Mario Cianfriglia 指出，“简单来讲，电子产品的小型化推动了PCB的微型化。在这些元件上，每平方厘米（cm2）上的互联点数量不断增加。这都是为了容纳最新一代0.4毫米或更小间距的BGA 部件，后者用于管理数字信号和电源信号。”

应用的热管理，新的挑战Mario Cianfriglia 还强调，由于电子元件被使用在越来越多的应用当中，设计师面临新的挑战。   他指出，“在有些情况下，热管理可能会非常严格，例如能源行业、工业应用或汽车行业，特别是电动车。电信或雷达系统等更复杂的应用也是如此。” 随着5G（第五代移动通讯）的不断应用，电子产品将包含越来越多的部件。这些部件的运行速度越来越快，从而产生更多热量。与此同时，还需要绝对确保 5G 应用中的信号完整性。   Mario Cianfriglia 说道，“这是最前沿的技术，信号完整性至关重要。PCB 目前能够处理3 至 5 GHz 信号，但随着5G功能的完善，它们 [必须]处理约 25 GHz 及更高频信号。为确保在所有运行条件下的信号完整性，我们必须掌握正确的热管理。处理高频信号的PCB在设计时必须考虑适当的层叠结构、特殊原料、布线路径、接地层、供电和信号。” Jeffrey Beauchamp表示，“我们看到，热管理的需求正开始增长；我认为，这种需求可能会继续增加，这有望带来更先进的新型技术。”

在某些情况下，热管理可能会非常严格，例如能源行业、工业应用或汽车行业，特别是电动车。Mario Cianfriglia表示。

通过分析程序预防问题在产品开发过程中，人们使用各种技术识别与热量有关的潜在问题，并开发出特种软件包用于预防性分析。重要的是，印刷电路板在设计阶段便应做到各方面尺寸正确。因此，人们必须了解部件的要求，根据它们在信号和电源方面的需求确定走线和间距尺寸，并选择适当的镀铜和基材厚度。现有许多用于预防性热分析工具和软件包，可以在设计层面确定各项尺寸。人们必须了解部件的需求，根据它们在信号和电源方面的需求确定走线和间距尺寸，选择适当的镀铜重量或厚度，以及基材。   对于简单的PCB，如果通过外观检测发现明显损伤，那么完全可归因于电流。温度升高会导致基板逐渐劣化，造成树脂碳化。因此，在热能积聚的区域早期可观察到发黄现象。人们可以模拟PCBA 的运行，用红外摄像机检查温度超出允许范围的区域。但到了这个阶段，我们只能识别异常，而无法避免风险。* 我们的建议是在项目的前期阶段就寻求PCB供应商的支持，以便获得设计建议，帮助设计师出色完成任务。”，Mario Cianfriglia 说道。

热管理需求的驱动因素

微型化，更紧凑的 PCB上聚集尺寸更小和数量更多的部件。

电子元件正被使用在越来越多的应用。

部件运行速度更快，因而产生热量更多。

新技术需要处理更高频信号和更高电能，产生更多热量。

随着5G的应用，信号完整性变得更重要，增强了热管理的必要性。

专家及早介入

Jeffrey Beauchamp表示，“真正聪明的设计师会在构造电路板之前先进行热模拟，直观了解可能遭遇的问题。但是，许多公司没有能力开展复杂的热能计算，也不具备必要的软件。因此，他们只能简单地应用最佳范例，只在问题出现时才会提出疑问。他们有时会在执行测试和检测到热能相关的问题时向我们求助。”

大功率应用的设计通常有散热管理需求。我们建议根据NCAB设计指南设计电路板，来确保其可制造性。用于多层板、HDI板、软板/软硬结合板和半软板的设计指南，可点击页面左下角阅读原文下载。

他建议应该让NCAB这样的专业机构及早参与设计流程，并表示，“这样，我们或许能够建议采用其他层叠方案或其他材料，快速彻底地避免问题。有时候，这样做可能还不够，我们还得引入更复杂的解决方案。但是，最好还是让我们及早介入，因为重新制作和测试电路板可能会花费许多时间和成本。NCAB始终强调从一开始就做对。对热管理问题来说，这点更加重要，因为这类电路板的制造成本更高。开始时选择正确方案会节省大量时间和金钱，避免不必要的麻烦。”
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