原创 PCB设计第016篇覆铜板的热特性

 2023-11-24 22:36  904 4 4 分类: PCB 文集: 2 PCB Layout

[初次发表 23-11-24 最后编辑 24-02-09]

散热是PCB设计之初就要仔细考虑好的。很多人把“一次通过率、无飞线、无割线”作为评价PCB设计能力好不好的标准，虽说没错，但还是浓厚的KPI内味儿。技术上继续追求的人，往往是探求电源完整性、信号完整性等等，用示波器的画面来评价设计水平高下。

怎样都好，但别忘了热。

解决热的问题，技术上有手段，但最难的常常是电子工程师和结构工程师的合作。有的地方是搞电子的人掌舵，有的是搞结构的人压轴，我观察下来，水乳交融少，各自为战多。我所在的公司就是结构设计追求极致，既要做得小——把产品外形1毫米1毫米地在减，又要做得耐环境——IP67防护，还要轻便——能用塑料的绝不用金属。对于内部的PCB，就出现了没有足够的散热量问题。

PCB板材的热特性表现为热膨胀系数/ CTE 和玻璃化温度/ Tg。

自然万物都会在受热后发生形变，区别是形变程度大小不同，这个用热膨胀系数来定义，以 ppm/摄氏度来量度。如第015篇介绍的，覆铜板由树脂、增强材料和铜箔组成，这是3种形变量不同的物质。玻璃纤维的形变量很小，树脂和铜箔就比较大。

树脂在一定温度时会从固态（易碎）转化为胶体（橡胶状，熔融玻璃状）的形态，此时，树脂的形变量突然加大，树脂和铜箔之间的黏着力消失，PCB会发生分层，这个温度称为玻璃化温度。

下面看一下不同材料受热后的表现与PCB可靠性的关系。

基材——树脂附加玻璃纤维——在PCB平面的X-Y方向上形变较小，而在PCB的法向/Z方向形变量较大。以FR-4材料为例，X-Y方向的形变量是12~16ppm/摄氏度，Z方向是 85ppm/摄氏度。原因简单，Z方向并没有X-Y方向那样的约束。在X-Y方向，PCB的形变从整体看是均匀的，受玻璃纤维编织方向的约束。从局部看，却是有微小的差别，当焊点、孔足够小的时候，这种差别会决定电子电路的通和断。Z方向，PCB的形变主要影响钻孔的可靠性，尤其是金属化孔的孔壁，会在每层铜箔和孔的连接处发生应力集中，出现断裂的风险。要尽量避免这种情况，可以加大孔的直径，增加孔内的铜，或者采用有韧性的铜箔。

IPC-2221标准对常用板材的CTE做了比较。一方面可以选择那些在X-Y方向 CTE 较低的基材，另一方面给了一个选型图表，可以拿来指导器件选型，尤其是那些尺寸大、CTE和板材差别大的元器件，可以判断是不是需要使用器件插座来进行CTE过渡。

铜箔方面，对于需要散热的PCB，可以尽量增加PCB上剩余的覆铜面积（充当散热片），还可布置散热过孔来导热，把较热区域的热量传导到内层、较冷的外层等其它区域。当散热量超过平面层的散热能力时，可以把平面层连接到外壳、框架上，增大散热能力。

设计方面也有不少对策。对于有封闭式外壳的产品，常见的散热方法是这些：外壳选择导热材料；PCB靠近外壳或连接到外壳；发热量大的元器件靠近PCB边沿放置；发热器件相互远离。对于有散热风道的情况，除了上述手段，还可以考虑：散热风道靠近发热量最大的区域，器件布局要有利于通风。

最后还有一招——在电路板里加一个特殊的金属芯板/Core，即综合夹心板结构。通过在PCB叠层设计中加入厚铜、厚铝、因瓦合金等材料，有利于增加散热能力的同时可以增加强度。

作者：电子知识打边炉，来源：面包板社区

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