Page 46 - 智慧家庭：為什麼‘Matter’很重要？

DESIGN IDEAS
高功率PCB設計的散熱管理
作者:Stefano Lovati，EEWeb 特約作者
整個電力電子產業，包括射頻(RF) 應用和涉及高速訊號的系統，都正 朝著在日益小型化的空間中提供功 能越來越複雜的解決方案發展。設 計人員在滿足系統尺寸、重量和功 率等要求方面面臨著越來越嚴苛 的挑戰，其中包括有效的散熱管 理，這可以從電路板(PCB)的設計 開始談起。
對於有效散熱管理的需求。 目前矽基功率元件可實現的 接面溫度在大約125°C和200°C之 間。但是，最好始終讓元件工作不 超過此極限條件，以避免元件快速 老化並縮短其剩餘壽命。事實上， 據估計，如果散熱管理不當導致工 作溫度升高20°C，則由此導致元
塊通常呈硬幣形狀，因此得名「銅 幣」(copper coin)。在單獨加工 銅幣後，可將其焊接或直接貼附 在PCB上，也可以將其插入內層， 透過散熱孔與外層連接。圖1所示 的PCB中製作了一個特殊的空腔 以容納「銅幣」。
高密度整合的主動功率元件(例 如MOSFET電晶體)會散發大量的熱， 因此，PCB必須能將熱量從最熱的 元件傳遞到接地層或散熱表面，從 而盡可能高效地運行。熱應力是功 率元件故障的主要原因之一，因為 它會導致性能退化，甚至可能導致 系統失靈或故障。元件功率密度的 快速成長以及頻率不斷提高，是造 成電子元件過熱的主要原因。雖然 寬能隙材料等具有更低功率損耗 和更佳導熱性的半導體越來越被 廣泛使用，但其本身並不足以因應
件的剩餘壽命減少將高達50%。
銅的導熱係數為380W/mK， 而鋁為225W/mK，FR-4則為 0.3W/mK。銅是一種相對便宜的 金屬，已廣泛用於PCB製造;因 此，它是製作銅幣、散熱孔和接 地層的理想選擇——所有這些解 決方案都能夠改善散熱。
佈局方法
許多專案中常見的散熱管理 方法是使用具有標準阻燃等級4 級(FR-4)的基板，這是一種成本不 高且易於加工的材料，專注於電路 佈局的散熱最佳化。
正確地在電路板上放置主動 元件，是防止形成熱點的關鍵因 素，從而能夠確保熱量盡可能均 勻地分佈在整個電路板上。在這 方面，應該不按特定順序地將主 動元件分佈在PCB周圍，從而避 免在特定區域形成熱點。但是， 最好避免將產生大量熱量的主動 元件放置在電路板邊緣附近。相 反地，應盡可能將其靠近電路板 的中心放置，從而有利於均勻的 熱量分佈。如果將高功率元件安 裝在電路板邊緣附近，則會在邊 緣積聚熱量，從而增加局部溫度。 另一方面，如果將其放置在電路板 中心附近，熱量將會沿表面向各方 向散發，使溫度更容易降低，熱量 也更容易散發。盡可能不要將功 率元件靠近敏感元件放置，彼此 之間應當適當間隔。
主要採用的措施包括提供額 外的銅表面、使用更厚的走線以 及在產生最大熱量的元件下方插 入散熱孔。為了散發更多熱量的更 激進技術還包括把真正的銅塊插 入PCB或施加到最外層，這種銅
圖1:帶有銅幣的PCB。
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