技术资讯 I 用于极端 PCB 热管理的埋嵌铜块

耀创深圳

在 PCB layout 中实施热管理的方法有几种——从简单的散热风扇，到复杂的外壳和散热片设计。热管理的目标是将器件温度降低到一定的水平以下，当温度高于该水平时，器件可能失效或用户可能接触到极端温度。在许多外形尺寸要求宽松的 PCB 设计中，高温元件通常会采用风扇或散热片进行热管理。

在没有空间安装风扇或散热片的情况下，如何才能将高温器件的热量散发出去？此时，可能需要在组件中或电路板的内层采用热管理方案，即埋嵌铜块。大多数设计人员都知道导热孔埋嵌铜块，但更先进的方案是采用压合 (press-fit ) 铜块，以提供更高的热传导率。



热管理方案比较


下表简要比较了 PCB layout 和组装中实施的热管理方案选项。其中一些方案需要直接在电路板上进行设计，而另一些是在最终组装或外壳中添加。




埋嵌铜块
埋嵌铜块是可以通过堆叠传递热量的小铜块或大铜块。散热孔是一种典型的埋嵌铜块，可将热量传递到电路板另一侧的内部平面或散热器（或两者皆有）。

低功耗设备有时会有一个器件在系统中产生大部分热量，这时只需针对该器件实施一种热管理技术即可。在 SMD 集成电路中，这很可能是一组与表层散热焊盘相连的散热孔。然后可直接将其焊接到器件封装中与裸片连接的接地焊盘上。


带四个散热孔的器件 footprint。

有的器件输出功率更大或没有太多空间安装与裸片相连的焊盘，此时就需要采用其他方法来散热。典型的方法是安装散热器和风扇，这是 CPU 或 GPU 常采用的方法。在智能手机等小型设备中，另一种策略是使用热界面材料将处理器直接粘到外壳上。

CPU、FPGA 或 GPU 等较大型器件采用 BGA/LGA 封装，无法放置散热孔，因为散热孔可能没有与裸片相连的焊盘。不过，埋嵌铜柱（称为“铜块”）是一种可行的散热策略。铜柱必须作为压合元件设计到电路板中，其公差与压合孔的公差相同。


压合元件安装在集成电路下方时，可用作传热元件。


焊料柱
最后一种可用于热管理的结构是焊料柱。焊料柱是一大片焊料，连接到顶层的器件封装上。在组装过程中，这些焊料柱将与 PCB 中的 SMD footprint 形成非常牢固的接合点。在需要经受剧烈振动、高温和机械冲击的军事航空系统中使用的元件封装中，这些结构更为常见。

下图是 Microsemi 的器件封装示例。图中，焊料柱内置于封装中，并将在组装过程中形成强韧的共熔。焊料柱通常与载体一起使用，以提供可靠性很高的组装平台，但这些焊料柱中使用的额外焊料有助于将更多热量从封装散发出去。


带焊料柱的封装示例。

其他热管理策略


在产生大量热量的电路板中，有效的热管理涉及多种策略。其中包括混合使用压合/埋嵌铜块、厚铜、热界面材料以及风扇或散热片。电子组装中使用的其他一些散热策略包括：

支持强制气流和对流气流的外壳设计

使用热传导率更高的替代基板材料

为散热器涂敷热界面材料

那么，我们如何为作为电力传输和分配“主动脉”的 Busbar 选择正确的热管理策略？

在现代电力系统和工业设施中，Busbar 无疑扮演着至关重要的角色，无论是大型发电厂、变电站，还是工厂产线的配电系统，Busbar 都是不可或缺的组成部分！且随着 AI 数据中心、HPC 需求激增，Busbar 的设计挑战与要求也不断增长。


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原文由Cadence楷登PCB及封装资源中心整理撰写。
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