【产品】导热性能优于FR4的绝缘金属印刷电路板

时间： 2018-02-20 来源：LAIRD（世强编辑整理） 作者：馨小喵

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Tlam是LAIRD公司的一种绝缘金属印刷电路板（Tlam SS），可以取代电源、LED和热应用中的标准FR4电路板或陶瓷基板。Tlam型材料也被称为绝缘金属基板技术、金属芯PCB基板和绝缘金属基板，现在广泛用于大批量的商业和工业产品，包括汽车电子、功率放大器、电源、马达控制器、高压电视偏转、UPS、电池充电器、焊机、LED照明等。

Laird公司的Tlam使用业界最高的导热填充剂系统，可最大限度地减少填充物的含量，并保持介电层的电气和机械完整性。Tlam的主要优势是改善了散热性能，同时以较低的成本保持了良好的介质隔离度。在使用Tlam进行设计时，充分利用散热优势非常重要，且它不会增加不必要的复杂性和成本。此外，它的散热优势可以减小元件尺寸、轨道宽度、散热和机械硬件，也可以满足电气和散热互连。

以导热能力超出普通FR4级板材8-10倍的Tlam SS 1KA与导热能力超出普通FR4级板材6-8倍的Tlam SS HTD为例，介绍它们的导热系数、热阻与热量管理。

一、Tlam SS 1KA和HTD的导热系数

对于电源产品而言，优异的导热系数具有许多优势：1、提高元件传热性能与可靠性，减小元件尺寸和成本，消除元件散热片和硬件，减少PCB或基板尺寸，提高元件密度和功率密度；2、由于Tlam消除了热量并降低了这些导体的工作温度，因此可以在迹线、过孔和连接器中使用更高的电流密度。

Tlam SS 1KA电介质在横向上的热导率为3.0W/m-K，Tlam SS HTD电介质的热导率为2.2W/m-K。HTD介质的热导率低于1KA，强度更高，并且在厚度减小时提供相同的电压隔离。因此，当遵循隔离法则时，两种电介质的热性能是相似的。

二、Tlam SS 1KA和HTD的热阻

Tlam电介质的热阻定义为：R（Y）=t/σA，其中R（Y）是热阻（C/W），t是电介质厚度（英寸），σ是导热系数（W/m-K），A是面积（平方英寸）。在实际应用中，焊盘和走线很小，且存在边缘或散热效果，因此通过将热量传递到比实际焊盘和走线略大的面积上来进一步降低热阻。为了结合环境确定总热阻，必须添加封装电阻、Tlam基底电阻以及底层基板到环境热阻。此外，通过基板的热分布可以明显降低对环境的热阻。

如图1中的表1.2A描述了与电介质厚度有关的每平方英寸和每平方厘米的Tlam SS 1KA/HTD和FR4的热阻，表1.2B描述了热阻与功率封装的Tlam SS HTD。

图1 Tlam SS 1KA/HTD的热阻

此外，Tlam SS介质的实际热阻可以通过一些特殊技术来提高，包括较厚的铜、可焊接的散热器、内层、散热孔等。

三、热量和电力管理

热量和电力管理必须涉及整个系统。关键因素包括最大功率、最大结点/元件温度、最大介电温度、最高环境温度以及热源和环境之间所有连接的热阻。在具有多个电源和热路径的复杂系统中，有限元分析或热测试是进行准确的最终热评估的唯一方法。

Tlam SS电介质的组成包含有机材料，与PCB一样，它可能因过热而损坏。在连续或稳态工作状态下，元件和走线的最大功率受电介质至铜箔接口的最高温度限制，Tlam SS 1KA08连续限制在130°C，Tlam SS HTD04和HTD06为150℃。如图2展示了Tlam SS 1KA/HTD工作与操作的最高温度。

图2 Tlam SS 1KA/HTD工作和操作的最高温度

虽然最高结合温度通常为150°C，但有几个例外。例如，用于汽车温度的特殊MOSFET具有150°C至175°C的最大Tj，而热敏GaAs LED在100°C以上效率不高。因此，确定任何产品中所有有源和无源元件的最高温度是非常重要的。

从基板到环境的热传递随应用、功率水平、环境温度、安装、气流等的变化而变化。基板可以通过自然强制对流或通过传导至散热器、支架或其他安装表面进行冷却。在较高功率应用或较高功率模块中，热量通常通过传导到散热器或金属安装表面进行传递，该表面的温度可以是已知的或者可以通过功耗、尺寸、形状、环境温度和空气流量的函数来计算。

技术顾问：搬砖的奶爸

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