被动和主动散热技术概述

2021-07-13

被动和主动散热技术概述

当您的印刷电路板运行时，有源元件的功耗会导致结温升高，热量开始从元件流入导体和基板。PCB 基板材料的导热性往往较低，会导致 PCB 出现热点和高温等热问题。将组件的温度保持在其额定最大值以下需要散热技术，以帮助热传导远离印刷电路板的热区域。

虽然您无法在不使用特殊材料或金属芯的情况下补偿大多数 PCB 基板材料的低导热性，但您可以使用一些热设计技术来帮助在电路板周围传输热量并最终将其消散到周围环境中。您的热管理策略可能需要多种散热方法和组件，从简单到每个有源组件上的散热器，再到冷却风扇和奇特的基板材料。

使用正确的电路板基板材料、PCB 布局工具和组件选择，您可以设计一个完整的热管理策略，其中包括主动和/或被动散热技术。目标是将热量从有源组件转移到电路板可以将热量散发到周围环境的部分。每个电路板所需的策略会有所不同，但您可以使用正确的设计工具实施最适合您的系统的策略。

一个统一的 PCB 设计包，将先进的 PCB 设计和布局功能与全面的元件库和生产规划功能集成在一起。

运行期间电路板的温升是不可避免的，但您可以使用正确的散热技术帮助消除关键组件的热量。作为综合热管理策略的一部分，您需要确定防止形成热点的最佳组件布局，并采取一些措施使热传导到电路板的较冷区域或周围空气。这些热管理方法可以分为被动方法和主动方法。通过主动和被动方法的正确组合，您可以帮助应对电路板中不必要的温升。

主动与被动热管理

主动和被动散热技术的设计目标相同：从组件中带走热量并将其消散到周围空气中，或者将其消散到温度较低的电路板部分。将热量传输到电路板较冷的区域需要仔细的叠层设计和 PCB 材料选择，因为热传导是通过基板和印刷电路板上的导体进行的。将热量散发到空气中的唯一被动热管理技术是从散热器或从基板本身直接传导到周围空气中。

主动热管理技术提供了更积极的方法，可以在运行期间将热量从电路板上带走。这需要使用一种系统，将冷空气或液体从热组件吸引过来，或者利用热相变来去除有源组件的热量。您无需在主动和被动热设计技术之间进行选择；如果您需要更积极的冷却策略，您可以在您的印刷电路板中实现这两者。

PCB散热的重要性

每个工作组件都会像一个热源一样，在运行过程中，您的电路板温度不可避免地会升高。因此，您需要制定一种策略来消除有源组件的热量并将其散布到整个电路板上，以便将组件温度保持在可接受的范围内。

热设计和仿真软件可以帮助您在设计期间验证您的热策略。这需要您了解电路板基板材料和组件的热特性。组件的功率耗散额定值和基板材料的热阻测量可用于创建全面的热模拟，使您能够在运行期间可视化电路板中的稳态温度分布。

从元件选择、PCB 布局、PCB 材料选择和叠层设计角度来看，被动加热技术是最容易实施的。

以高电流运行的设备将需要一些特殊的热管理策略，这些策略也可用于低电流的电路板。

电路板中的热设计、电源完整性和信号完整性都密切相关。您可以使用仿真驱动的工作流程来验证您的热设计策略并确保您的电路板温度保持在可接受的范围内。

Altium Designer 中的热设计和电源完整性仿真结果

PCB 散热的主动和被动技术

您可以使用多种常见的主动和被动技术来散发组件和电路板基板的热量。从信号完整性的角度来看，使用无源元件是最好的策略，因为这些元件不需要任何移动部件或用于散热的电源。主动冷却方法更强大，但您需要考虑组件设计如何影响运行期间的电源和信号完整性。

散热器

散热器是高速处理器、MCU、FGPA 和其他设备等主动设备最常见的被动冷却方法之一。这些组件会产生大量热量，而大多数电路板基板材料的低导热性会导致热量积聚在这些组件下方的基板中。随着基板膨胀，基板中的导电迹线和通孔会承受很大的应力。如果电路板在极端温度之间反复循环，较细的走线可能会从基板上分层，下一个过孔可能会在极端压力下破裂。这在使用高纵横比的小直径未填充通孔的印制板中尤为常见。

任何散热器都应安装到带有导热垫或导热膏的组件上。这两种安装技术都利用了散热器和焊盘/焊膏材料的低热阻。这有助于热量从组件传导到散热器，在那里热量可以消散到周围的空气中。在产生大量热量的有源组件上放置散热器是任何无源冷却策略的重要组成部分，尽管这可能会在保持小尺寸方面产生问题。

热通孔

散热孔的明智设计和放置将有助于在工作期间将有源组件的结温保持在较低水平。散热孔位于有源元件下方，可以焊接到集成电路底部的芯片连接焊盘上。这些通孔将穿过电路板基板，并且它们可以填充低热阻环氧树脂以将热量从相关组件传导出去。您可以将热通孔接地，以提供与内部铜平面的直接连接，从而为散热到电路板较冷区域提供低热阻路径。

层堆栈设计

您的层堆栈在提供远离有源组件的被动热传导方面发挥着重要作用。层堆栈内层中的铜平面将为有源组件的热量提供低热阻路径。当散热孔与适当的层堆栈设计相结合时，您可以增加靠近组件的 PCB 基板的有效热量，并有助于防止组件温度超过您的设计限制。

Altium Designer 中层堆栈的热设计

异国情调的基板材料

陶瓷和金属基板比 FR4 和其他层压板具有更高的热导率（即更低的热阻）。一旦热量确实离开有源组件并传导到您的基板中，具有更高导热性的基板将使热量快速移动到电路板的较冷区域。这有助于确保您的 PCB 具有更均匀的温度分布，并有助于消除有源组件下方的热点。

在高温应用中使用陶瓷是理想的，因为陶瓷 PCB 材料的热导率值比标准 FR4 和类似层压板的热导率值大 20 到 100 倍。这些板的机械强度也比 FR4 强，使其可用于高温环境中的高功率机电应用。

金属芯PCB

金属芯 PCB 在以高功率运行的应用中特别有用，例如 LED 阵列和电力电子设备。金属芯提供与具有高导热性的基板材料相同的功能；它为热量传导到电路板的低温区域提供了一条低热阻路径。金属芯提供比内部铜层低得多的热阻，因为金属芯通常更厚。一个很好的例子是铝芯 PCB，它以低成本提供高导热性。

主动冷却系统

最简单的主动冷却系统是安装在设备外壳边缘或直接安装在重要组件顶部的电风扇。FPGA 和微处理器等高功率组件通常将散热器与冷却风扇结合在一起。更积极的主动冷却方法包括液体冷却，其中流体流过热组件并将热量传导到散热器。更具侵略性的是蒸发式热交换器，它通过在封闭系统内引起流体的相变来散热。后一种方法用于高度超频的 PC，在游戏玩家中很受欢迎。

管理 PCB 散热的最佳软件

用于控制电路板周围和远离电路板的热传导的最佳软件将在单个程序中包括一整套布局、组件管理、模拟和生产计划功能。您应该可以访问热设计所需的组件以及其他重要的设计和分析功能。再加上一个全面的 PCB 材料库和叠层设计器，您就可以为下一个电路板快速实施热管理策略。

Altium Designer 中的集成热设计

Altium Designer 的 CAD 和元件布局工具的独特之处在于它们与其他重要的设计和布局工具集成在一个应用程序中。您将可以访问一组强大的仿真和分析功能，以及用于访问热设计所需组件的统一组件库。层堆栈管理器和材料库为您提供了一套完整的热设计工具，并允许您实施您可以想象的任何热管理策略。

Altium Designer 将标准设计功能与仿真和分析解决方案集成在一起。您的重要设计工具都可以在单个应用程序中访问，并构建在统一的规则驱动设计引擎上。

Altium Designer 中的布线工具允许您轻松地通过过孔布线，以及在整个 PCB 上快速放置过孔。您还可以在电路板中的有源元件下方定义和放置散热孔。

Altium Designer 包括一个叠层材料库，允许您从广泛的标准 PCB 基板材料中进行选择。您将能够在 Altium Designer 中轻松设计层堆栈和过孔。

除了叠层设计和组件布局之外，Altium Designer 还包括许多其他设计功能。您将可以使用生产计划工具，这些工具可提供真正的供应链可见性，而无需整合第 3 方应用程序。您还可以在为生产准备产品的同时为制造商生成标准可交付成果。