PCB 散热设计指南

2021-07-13

PCB 散热设计指南

从相对介电常数到热膨胀，在设计阶段需要考虑很多热特性。在焊盘上放置散热片有助于组装，但这应该与其他管理电路板中热传输的方法一起考虑。使用正确的 PCB 设计工具，您可以为重要组件设计散热垫，并在您的电路板中加入其他重要的热管理功能。Altium 在单个程序中为您提供这些重要的设计工具以及更多功能。

一个统一的 PCB 设计平台，将高级 PCB 布局功能与全面的通孔和焊盘设计功能集成在一起。

尽管 FR4 因其低成本和多功能性而成为一种流行的基材，但由于其低导热性，它给热管理带来了问题。由于铜具有高导热性，因此在一些手动工艺和波峰焊工艺中，很难将焊盘加热到合适的温度以施加焊料，尤其是当焊盘通过通孔连接到内部平面时。管理电路板中的热量分布和易于组装需要在 PCB 中正确设计散热垫以及使用其他方法来管理热量。

如果您正在构建多层 PCB，那么您需要包括铜通孔以在电路板的内层之间布线，并且您可能会将表面贴装元件放置在表面层的铜焊盘上。虽然每个焊盘和散热装置对于电气和装配都很重要，但它们也可以在电路板的热调节中发挥作用。使用正确的 PCB 设计和布局工具，您可以轻松地在电路板上设计散热孔和散热装置。

什么是散热设计？

散热垫提供了一种将热量限制在垫上的方法，以便使用焊料将组件安装到印刷电路板上。元件的焊盘通常通过阻焊层达到峰值，允许在组装过程中将焊料放置在焊盘上。一些铜从散热焊盘的边缘被去除，在组装过程中施加焊料时允许热量被限制在焊盘中。

由于 FR4 的低导热性，在应用焊料时，热量很容易被限制在散热垫上。这确保在手动组装期间可以在组件上形成牢固的连接。这在波峰焊中也很重要，因为当连接到带有通孔的内部平面时，没有散热片的焊盘可以快速去除表面的热量。选择在焊盘上放置散热片的位置，同时还包括其他热管理方法，可以确保在操作期间正确管理电路板中的热量，同时确保电路板可以轻松组装。

散热设计和 PCB

散热设计的目标是从通孔组件的焊盘周围去除一些铜。您还可以在表面贴装元件的焊盘上使用散热设计，只要该焊盘是过孔焊盘即可。在这种情况下，通孔用作散热装置。这一点非常重要，因为表面贴装组件的铜焊盘需要在焊盘边缘保持一定的间隙，而您可以轻松地从通孔焊盘上去除一些铜，而不会影响正确安装组件的能力。

不打算用作通孔组件的焊盘的过孔不应包括散热焊盘。事实上，散热孔对于从产生大量热量的有源组件中去除热量非常有用。通常在有源元件的底部放置散热孔以通过将热量传输到电路板来调节其温度。在散热垫中放置散热孔会将孔连接到内部平面，但辐条和空隙用于限制内部连接中的金属区域。如果您看一下下图，您会看到热浮雕的样子。这些辐条和空隙对于焊接标准散热焊盘中的通孔组件很重要。

从组装和热管理的角度来看，散热垫都很重要。

您的内部接地层和电源层作为与热通孔连接和整体热管理策略的一部分非常重要。

作为 PCB 设计软件的一部分，多边形浇注功能对于设计可作为电路板散热器的铜区域非常重要。

Altium Designer 中电源平面连接的散热垫设计

超越散热装置：综合热管理

在某些 PCB 中，使用高电流的高功率组件和电路板在运行过程中会产生大量热量，而 FR4 基板的低导热性将这些热量捕获在电路板的特定区域。除了使用散热孔之外，还有其他方法可用于从 PCB 散发和去除热量。

您的 PCB 基板和叠层决定了 PCB 性能的许多重要方面，包括电路板中的热传输和管理。您的基板的热阻将决定您的电路板是否可以快速传递热量，从而实现更均匀的温度分布。当与散热孔、散热器、风扇和散热垫结合使用时，您可以将热量从组件中带走并防止在电路板上形成热点，同时确保在组装过程中可以轻松地将焊料施加到组件上。

其他帮助热量管理的方法

使用导热垫连接散热器以及使用风扇是将热量从 PCB 中的关键有源组件带走的两种流行方法。电路板内层上的接地或电源平面也有助于在整个电路板上横向移动热量，从而有助于在远离有源组件的地方产生更均匀的温度分布。最后，电路板基板的导热性决定了电路板在电路板周围传导热量的速度。

除非您的电路板是由陶瓷材料或其他替代基板材料制成，否则您的标准 FR4 电路板将具有低导热性。

高功率组件（如明亮的表面贴装 LED）可以受益于使用铝基板来减少热量的产生。

除了使用替代基板和散热孔之外，您还可以通过使用导热垫或导热膏将散热器安装到平面组件来帮助降低电路板的温度。

您的基板材料和叠层将决定热量在整个电路板上的传递方式

散热设计的最佳软件

您的散热设计功能不应单独出现在您的 PCB 设计软件中。您将需要访问一套全面的通孔和焊盘设计功能，以帮助您定义散热设备和层堆栈的几何形状。当这些与您的布线功能一起出现时，您将拥有一套完整的用于散热设计的 PCB 设计功能。

Altium Designer 中的集成散热设计和叠层设计

Altium Designer 包括 CAD 工具，允许您在单个程序中轻松定义多边形浇注、散热孔、散热垫和层堆栈。您可以通过通孔设计、焊盘设计和平面设计功能简化用于热管理的 PCB 设计过程。

Altium Designer 的集成设计环境在单个规则驱动的设计引擎之上统一了这些重要的设计功能以及更多功能。使用 Altium Designer 可以轻松定义焊盘形状、通孔形状、叠层和散热设备。

Altium Designer 中的 PCB 设计规则引擎可以帮助确保您的散热设计实际上是可制造的，并且符合重要的行业标准。

借助 Altium Designer 的材料叠层库，您可以选择标准基板材料作为综合热管理策略的一部分。

借助 Altium Designer 中超精确的 CAD 工具，您可以轻松定义重要组件的散热垫，并设计有助于 PCB 热管理的层堆栈。凭借其庞大的材料库和直观的叠层管理器，您可以在单个 PCB 设计程序中拥有一套完整的热管理工具。通过将您的布局、管理和模拟功能集成到一个平台中，您将拥有控制产品所有方面所需的重要设计功能。