技術(shù)資訊 I 用于極端 PCB 熱管理的埋嵌銅塊

耀創(chuàng)深圳

在 PCB layout 中實施熱管理的方法有幾種——從簡單的散熱風(fēng)扇，到復(fù)雜的外殼和散熱片設(shè)計。熱管理的目標(biāo)是將器件溫度降低到一定的水平以下，當(dāng)溫度高于該水平時，器件可能失效或用戶可能接觸到極端溫度。在許多外形尺寸要求寬松的 PCB 設(shè)計中，高溫元件通常會采用風(fēng)扇或散熱片進行熱管理。

在沒有空間安裝風(fēng)扇或散熱片的情況下，如何才能將高溫器件的熱量散發(fā)出去？此時，可能需要在組件中或電路板的內(nèi)層采用熱管理方案，即埋嵌銅塊。大多數(shù)設(shè)計人員都知道導(dǎo)熱孔埋嵌銅塊，但更先進的方案是采用壓合 (press-fit ) 銅塊，以提供更高的熱傳導(dǎo)率。



熱管理方案比較


下表簡要比較了 PCB layout 和組裝中實施的熱管理方案選項。其中一些方案需要直接在電路板上進行設(shè)計，而另一些是在最終組裝或外殼中添加。




埋嵌銅塊
埋嵌銅塊是可以通過堆疊傳遞熱量的小銅塊或大銅塊。散熱孔是一種典型的埋嵌銅塊，可將熱量傳遞到電路板另一側(cè)的內(nèi)部平面或散熱器（或兩者皆有）。

低功耗設(shè)備有時會有一個器件在系統(tǒng)中產(chǎn)生大部分熱量，這時只需針對該器件實施一種熱管理技術(shù)即可。在 SMD 集成電路中，這很可能是一組與表層散熱焊盤相連的散熱孔。然后可直接將其焊接到器件封裝中與裸片連接的接地焊盤上。


帶四個散熱孔的器件 footprint。

有的器件輸出功率更大或沒有太多空間安裝與裸片相連的焊盤，此時就需要采用其他方法來散熱。典型的方法是安裝散熱器和風(fēng)扇，這是 CPU 或 GPU 常采用的方法。在智能手機等小型設(shè)備中，另一種策略是使用熱界面材料將處理器直接粘到外殼上。

CPU、FPGA 或 GPU 等較大型器件采用 BGA/LGA 封裝，無法放置散熱孔，因為散熱孔可能沒有與裸片相連的焊盤。不過，埋嵌銅柱（稱為“銅塊”）是一種可行的散熱策略。銅柱必須作為壓合元件設(shè)計到電路板中，其公差與壓合孔的公差相同。


壓合元件安裝在集成電路下方時，可用作傳熱元件。


焊料柱
最后一種可用于熱管理的結(jié)構(gòu)是焊料柱。焊料柱是一大片焊料，連接到頂層的器件封裝上。在組裝過程中，這些焊料柱將與 PCB 中的 SMD footprint 形成非常牢固的接合點。在需要經(jīng)受劇烈振動、高溫和機械沖擊的軍事航空系統(tǒng)中使用的元件封裝中，這些結(jié)構(gòu)更為常見。

下圖是 Microsemi 的器件封裝示例。圖中，焊料柱內(nèi)置于封裝中，并將在組裝過程中形成強韌的共熔。焊料柱通常與載體一起使用，以提供可靠性很高的組裝平臺，但這些焊料柱中使用的額外焊料有助于將更多熱量從封裝散發(fā)出去。


帶焊料柱的封裝示例。

其他熱管理策略


在產(chǎn)生大量熱量的電路板中，有效的熱管理涉及多種策略。其中包括混合使用壓合/埋嵌銅塊、厚銅、熱界面材料以及風(fēng)扇或散熱片。電子組裝中使用的其他一些散熱策略包括：

支持強制氣流和對流氣流的外殼設(shè)計

使用熱傳導(dǎo)率更高的替代基板材料

為散熱器涂敷熱界面材料

那么，我們?nèi)绾螢樽鳛殡娏�傳輸和分配“主動脈”的 Busbar 選擇正確的熱管理策略？

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原文由Cadence楷登PCB及封裝資源中心整理撰寫。
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