本文要點
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PCB 有效導熱係數的定義。 |
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影響 PCB 有效導熱係數的關鍵因素。 |
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瞭解熱模型中有效導熱係數的準確度。 |
什麼是 PCB 有效導熱係數？
「有效導熱係數」代表材料的傳導熱的能力。當我們談及 PCB 的有效導熱係數時，我們談論的是 PCB 將器件產生的熱量轉移到周圍區域的能力。有效導熱係數用 Keff 表示，單位是 W/m-K。
在 PCB 設計中，有效導熱係數是熱建模和分析中使用的一個重要參數，有助於工程師根據特定的假設和模型，預測一塊擺滿器件的 PCB 的導熱效果。隨著電子模組的尺寸不斷縮小，設計人員應該關注有效導熱係數。
PCB 有效導熱係數反映了 PCB 的傳熱能力
影響 PCB 有效導熱係數的因素
一塊 PCB 包含導電材料、絕緣體和安裝的器件。PCB 中使用的每種材料都有不同的熱導率。在推導 PCB 的有效導熱係數時，要考慮到不同的熱導率。
業界已經進行了各種研究來分析 PCB 的導熱係數。不同的研究使用了不同類型的模型和假設。對於設計人員來說，PCB 的有效導熱係數取決於以下幾項因素。
器件尺寸
隨著器件變得越來越小，自然散熱的能力也不斷下降。例如，與採用 TO-220 封裝的 MOSFET 相比，採用 SOT-23 封裝的 MOSFET 的導熱墊片面積會更小。因此，安裝在 PCB 上的器件的尺寸將影響其散熱能力。
熱貫孔
熱貫孔是一些有意放置的孔，用於將熱量從器件上散發出去。這類似於讓熱蒸汽有更多機會從這裡散發出去，而不是把它困在容器裡。因此，一個區域內的熱貫孔越多，PCB 的有效導熱係數就越高。
散熱貫孔密度會影響 PCB 的有效導熱係數
內部層
內部銅層的存在也會改變散熱的速度和方向。銅的導熱係數為 355 W/m-K，而 FR-4 為 0.25 m-K。如果有多個銅內層，PCB 的有效導熱係數就會下降。當然，熱貫孔有助於更有效地將熱量傳遞到內層。
走線的幾何形狀
如果銅走線從頭到尾是連貫的，那麼 PCB 的有效導熱係數就會很高。但是，如果走線中斷，有效導熱係數可能會下降，而這種情況在實際的 PCB 中時有發生。
有效導熱係數是否有利於進行準確的 PCB 熱建模？
有效導熱係數易於計算，因此是分析時的首選。該參數通常是基於同構的 PCB 模型。然而，PCB 很少是同構的，尤其是多層 PCB。每層的器件排列、走線、銅面、貫孔和焊盤都可能不一樣。
因此，從傳統模型中推導有效導熱係數會有一定的誤差。為了更準確地估計有效導熱係數，需要對 PCB 的每一層進行深入分析。然後對表面進行圖元化分析，以便更好地進行預測。
PCB 有效導熱係數的準確度取決於建模，而無論採用何種技術，建模的準確度都取決於使用的軟體工具。Cadence Celsius Thermal Solver 結合 FEA 與 CFD，能實現精確的電熱協同模擬和熱分析，並與用於 PCB/IC 封裝的 Sigrity 技術相整合，如備受大家熟知青睞的 Sigrity PowerDC 進化為 Celsius PowerDC，助力設計團隊獲取更準確的電熱模擬結果。
譯文授權轉載出處 (Graser 偕同校閱)
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