如何解決電子元件的散熱難題？

摘要：還在為電子元器件的散熱問題而煩惱?本文分享各類熱管理方案，并帶來有效的高導(dǎo)熱PCB材料，幫您解決散熱難題!

隨著集成技術(shù)和微電子封裝技術(shù)的發(fā)展，電子元器件的總功率密度不斷增長(zhǎng)，而電子元器件和電子設(shè)備的物理尺寸卻逐漸趨向于小型、微型化，所產(chǎn)生的熱量迅速積累，導(dǎo)致集成器件周圍的熱流密度也在增加。所以高溫環(huán)境必將會(huì)影響到電子元器件和設(shè)備的性能，這就需要更加高效的熱控制方案。因此，電子元器件的散熱問題已演變成為當(dāng)前電子元器件和電子設(shè)備制造的一大焦點(diǎn)。

針對(duì)該情況，工程師們想出了一些熱管理策略：例如通過增加PCB導(dǎo)熱系數(shù)(高TC)來提升散熱能力;側(cè)重于讓材料和器件能夠經(jīng)受更高操作溫度(高TD裂解溫度)的耐熱策略;需要了解操作環(huán)境和材料對(duì)熱循環(huán)經(jīng)受程度(低CTE)的適應(yīng)熱方式。另外一種策略則是使用更高效率、低功率或者更低損耗的材料，從而減少熱量的產(chǎn)生。

一般散熱途徑包括三種，分別是：導(dǎo)熱、對(duì)流以及輻射換熱。所以常用的熱管理方法有以下幾種：在設(shè)計(jì)線路板時(shí)，特意加大散熱銅箔厚度或用大面積電源、地銅箔;使用更多的導(dǎo)熱孔;采用金屬散熱，包括散熱板，局部嵌銅塊。又或者在組裝時(shí)，給大功率器件加上散熱器，整機(jī)則加上風(fēng)扇;要么使用導(dǎo)熱膠，導(dǎo)熱脂等導(dǎo)熱介質(zhì)材料;要么采用熱管散熱，蒸汽腔散熱器，高效散熱器等。

圖1： 電子設(shè)計(jì)中的熱管理方案

目前，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種新的熱解決方案：倡導(dǎo)在進(jìn)行線路板設(shè)計(jì)時(shí)，就選用高裂解溫度(TD)、高導(dǎo)熱系數(shù)(TC)的板材例如來自ROGERS 的92ML系列層壓板。作為高頻電路材料全球領(lǐng)導(dǎo)者，ROGERS的高導(dǎo)熱PCB材料92 ML系列具有多個(gè)優(yōu)異特性，其中最值得一提的是：92ML的導(dǎo)熱系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)FR-4(環(huán)氧樹脂)的4到8倍!

高導(dǎo)熱PCB材料92ML的特性如下：

• 導(dǎo)熱系數(shù)(Z軸)為 2W/M.K(ASTM E1461)

• 玻璃態(tài)轉(zhuǎn)換溫度 Tg：160 ℃

• 熱裂解溫度 Td：400℃ (5%)

• Z軸熱膨脹系數(shù)(50-260℃)：1.8%

• UL 最大操作溫度：150℃

• 相同介質(zhì)厚度耐壓絕對(duì)值更高，穩(wěn)定性好，適合大功率及耐壓要求高的設(shè)計(jì)

• 無鹵

那么，相對(duì)一般的熱管理方案，ROGERS 92ML材料方案到底贏在哪里?

在標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)測(cè)試方法和模型中，假設(shè)材料是各向同性且只通過平面的導(dǎo)熱系數(shù);通常采用平面散熱的方法去降低熱點(diǎn)溫度，增加整個(gè)區(qū)域的熱傳遞。而ROGERS 92ML方案則不僅可以減少器件的結(jié)點(diǎn)溫度，還能提升約15% 或者更高的功率輸出。同傳統(tǒng)FR-4相比較，92ML能再降低30 ℃至35 ℃(視具體設(shè)計(jì))。并且可以通過提高Z軸熱傳遞，增加X、Y 軸熱擴(kuò)散來減少熱點(diǎn)峰值溫度。在不超過器件的推薦使用溫度情況下，采用¼ 磚 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，還具有更高的功率輸出，熱傳遞的增加也會(huì)提升功率容量。而且92ML方案對(duì)于平整度要求極為嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，提升PCB的平整度。其較低的Z膨脹系數(shù)還提高了PTH 可靠性?？商峁┑?2 ML系列產(chǎn)品包括：半固化片，覆銅板，金屬基板 (SC92®);且測(cè)試樣品已通過互聯(lián)應(yīng)力測(cè)試(IST)。

圖2： 92 ML的互聯(lián)應(yīng)力測(cè)試(IST)測(cè)試結(jié)果