熱管理對於使電路板中的元件保持在安全工作溫度範圍內非常重要。FR4 是最常用的基板材料之一，但其熱導率非常低，會導致熱量集中在發熱元件附近。在這種情況下，我們需要採用一個全面的熱管理策略，實現關鍵元件的散熱，並使其保持在工作溫度範圍內。

通常，所有熱管理中都包括風扇和散熱器，低熱阻 PCB 設計也不例外。這需要選用適當的材料或額外使用大量銅，為關鍵元件提供低電阻散熱路徑。本文將討論可以降低 PCB 熱阻，並確保電路板處於安全溫度範圍內的一些方法。

什麼是 PCB 熱阻？

雖然有時會使用「熱導率」一詞來代替「熱阻」，但這兩個物理量其實不同。PCB 熱阻是熱力學中類比電阻的概念。它取決於基板材料、元件以及銅元件的熱導率，以及所有這些要素的幾何形狀。在導熱率較高的電路板中，熱量會更快地從溫度較高的區域轉移到溫度較低的區域，因此電路板的熱阻較低。

電路板中的各種材料和元件具有不同的熱導率，因此它們的導熱速率也不同。電路板的整體熱阻需要綜合考慮每個元件的熱阻。如果願意，可以構建電路模型，然後利用每個元件的熱阻來計算電路板的總熱阻，這和電阻一樣。如此一來，高熱阻基板（通常為 FR4）和低熱阻導體（銅）的組合便決定了 PCB 的有效熱導率和總熱阻。

低熱阻設計

如果降低 PCB 熱阻的設計方法在上述討論中尚不明顯，那麼最佳方法便是多使用熱導率高的材料。這是帶有發熱元件的電路板應該使用內部平面層的一個原因。平面層中使用的銅具有高熱導率，因而為發熱元件提供了低電阻散熱路徑。設計高速或高頻電路板時，無論如何都應該使用內部電源/接地平面層，因為這有助於隔離並遮蔽外部輻射源產生的電磁干擾。

另一種表層散熱的方式是在發熱元件下放銅焊盤。這些焊盤上通常有過孔連接內部接地平面，從而為這些元件提供鏡像隔離 (image shielding)。帶有晶片貼裝散熱焊盤的元件應直接焊接到散熱焊盤上，從而使元件獲得最佳散熱效果。設計這些焊盤時要小心，因為若放置的過孔太大 / 太多，在組裝過程中焊料會滲透到電路板背面。同封裝廠確認其製造能力是一個好辦法。

另一個降低 PCB 熱阻的主要方法是使用更多銅。如果電路板的工作電流較大，則無論如何都應該使用更多銅。IPC-2152 曲線圖是一種防止溫升過高的走線設計方法，儘管很難解決基於 IPC 2152 的設計中的阻抗控制要求。

使用替代基板材料的超級快充散熱

與其他基板材料相比，FR4 板材因熱導率較低，故而熱阻較高，因此發熱元件上需要使用散熱焊盤。陶瓷和金屬芯 PCB 等基板替代物是很好的熱管理選擇。這兩種材料的整體導熱率都更高，無需使用散熱焊盤和電路板背面的通孔，元件的熱量便可以快速散去。

FR4 的熱導率約為 1.0 W/(m-K)，其他高頻相容層壓板（如 Rogers 和 Isola 公司的材料）的熱導率值相似。相比之下，陶瓷材料的熱導率在 20 至 300 W/(m-K) 之間，因此非常適合與發熱元件一起使用或放置在靠近其他熱源的系統中。採用高導熱率的陶瓷基板後，電路板中便可以不再使用體積笨重的散熱器或噪音較大的風扇。用於 PCB 的常見陶瓷包括氧化鋁、氮化鋁、氮化硼和碳化矽。

陶瓷 PCB 還有其他優點和缺點。儘管陶瓷材料的強度較高，但它們易碎且易斷裂，而 FR4 則相當柔韌。陶瓷材料的熱膨脹係數遠比 FR4 或其他纖維編織基板更接近銅的熱膨脹系數值。這降低了運行期間細走線和過孔上的熱應力。也可以透過使用各種添加劑來調節陶瓷材料的性能。這仍然是材料科學領域的一個研究熱點。

金屬芯 PCB 是 FR4 基材的另一種替代品。這類基板使用一種金屬板（通常是鋁）作為板芯。該板芯可以連接到鄰近的接地平面，提供額外的電磁干擾隔離層。此外，金屬芯的機械強度更高，熱阻更低，且柔韌可彎；與陶瓷材料相比，這類電路板不易斷裂。鋁芯 PCB 通常用於大功率 LED 照明系統，這種情況下，電路板與大型金屬外殼連接。電路板因此獲得了很高的散熱性能。

無論是在 FR4、陶瓷還是金屬芯基板上進行設計，如果想要獲得低熱阻 PCB，都需要合適的 PCB 設計和分析軟體。無論在任何基板材料上創建 layout，Allegro^® PCB Designer 軟體都是一個理想選擇，可幫助設計師順利確定電路板上的熱點。

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原文出處

	Design for Low PCB Thermal Resistance