【应用】替代传统的FR-4覆铜板和半固化片的热增强线路板材料在多层印制线路设计

时间： 2017-11-13 来源：electronics-cooling（世强翻译） 作者：沧海一粟

技术问答

功率电子的设计趋势

功率电子及相关的热管理设计是许多产品研制开发工作必不可少的前期阶段，特别是对快速增长的汽车和工业应用需求。目前大趋势是增加汽车驾驶的辅助功能，减少汽车的碳排放，实现车辆电气化，纳入发光二极管（LED）照明等在汽车和工业应用，所有这些都有利于日益重要的功率电子技术。

电动汽车在动力总成控制单元需要高效的热管理解决方案，这些单元包括用于发动机管理或者传输控制的直流-直流（DC/DC）转换器。电动汽车还有具有底盘控制单元如电动助力转向。这些电动汽车子系统在高功率水平运行并产生了大量热，必须有效将热消散，同时不增加汽车额外的重量和体积。

汽车照明也在进行技术转型，需要有效的热管理解决方案。同前身的白炽灯相比较，LED头灯能够提供更高的可视性和更高的驾驶员安全性。但是这种增加的性能不是没有代价的：60%以上的电力供应到LED头灯被转化为热。如果热不能从LED结移除，那么高温会影响到LED的性能和可靠性。

热管理对于移动电子产品也是很重要的。随着处理能力的提高，小型移动/手持电子设备发展趋势导致了具有更高功率密度微处理器及其他半导体电路的热管理挑战。图1是一些不同智能手机的热成像图和外部温度的表示。

图1：不同智能手机的热成像图和外部温度

移动设备功率密度的增加促使电路设计师去重新考虑他们对线路板（PCB）基板材料的选择，因为这些材料现在需要在移动设备的热管理中去扮演更重要的角色。大多数线路板（PCB）基材的上限操作温度在室温（25℃）基础上高100℃或者在125℃。传统上，冷源/散热片有助于移动设备散热。

然而，随着价格的竞争压力及小型化的趋势，冷源/散热片或不能再代表在移动电子设备中的实际热管理方案。通过外部的空气对流散热或者使用热管技术冷却是可行的替代热管理方法。但在最终应用设计上，以上技术都需要额外的二次系统，增加了重量和成本。这也会有潜在的质量和可靠性的障碍，需要去克服。以下图2代表了传统的后装散热器方法。

图2：动力装置的示意图,安装在传统的后装铝或铜散热器上

热增强线路板（PCB）材料，如罗杰斯92ML™系列和92ML™ StaCool™系列，为功率电子电路设计提供了一个实用的，需要减少重量和体积的的高性价比热管理解决方案。这样的线路板材料，可以应用在多层印制线路路设计替代传统的FR-4覆铜板和半固化片，线路图形依旧保持不变。

以下图3和4描述了热管理增强的线路板材料92ML™半固化片和覆铜板。

图3：92ML™系列热增强半固化片

图4：92ML™系列热增强的覆铜板

金属芯的印制线路板(PCB)材料或绝缘金属基材（IMS），比如92ML™ StaCool™材料在当今功率模块热管理中提供了具有成本效益、空间效率的方案。他们消除了大尺寸，预先机加工的散热器，导热垫，导热硅脂，波峰焊及相关传统电源模块组装相关的手工劳动的需求。

图5A：92ML™系列热增强的金属芯线路板或绝缘金属覆铜板

图5B：绝缘金属板的剖视图（散热片的存在是必需的目的是移除模块中额外的热）

图6：线路热试验表明了工作效果，（左）没有散热片和（右）有散热片

图6强调了散热片在协助散热中的重要性。线路使用了10mil RO4350B覆铜板，粘结了铝基散热片，工作在3.3GHz，85W功率。

热增强线路板材料的设计优势

基于线路板（PCB）的热管理解决方案给设计师提供了很多收益，包括设计优势，降低劳动需求，提升产品质量和降低资金成本。

同传统的陶瓷模块相比，线路板材料方法有以下优势：

• 使用线路板材料替代陶瓷或其他主动冷却技术，环境友好型材料可以与最终客户或当地的法规相兼容

• 因为线路板材料率密度低于陶瓷材料，所以线路板方法减少了汽车重量，进而有了更少的CO2排放。

• 使用已建立的PCB技术允许应用在大规模经济量产上。

• 由于陶瓷模块在嵌入式设备领域应用是受限的，而线路板方式允许集成设计，其中包括将处理器和功率设备集成在线路板上。这有助于在紧凑空间中最小化电路板的高度。

集成散热片在线路板PCB材料上，不需要在焊接阶段单独贴装散热片的流程。这消除了导热垫，导热脂，弹簧，夹具，散热组装和波峰焊接组件。这也允许使用压装连接，而不是手动插入和波峰焊结连接。这极大的简化了焊结流程如7A和7B下所示：

图7A：阶梯式的绝缘金属板基线路板模块组装生产流程图

图7B：阶梯式描述传统的后贴装散热片模块组装生产流程图

如图示的详细的过程步骤在图7A，绝缘金属板（IMS）方法同标准的后贴装散热片提供了以下优势：

• 不需要模块预焊结需求。

• 消除了手工插入表贴器件需求，导致减低重工或触摸表贴器件。

• 允许自动回流焊和组装，最大限度地降低劳动力的总成本。

• 减少人工成本和处理步骤，抵消任何增加的自动化装配成本。

• 减少模块组件，减少失效机会。

• 减少操作者接触，以获得更一致的产品质量。

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全部评论（4）

菲娜樱子 Lv8. 研究员 2017-12-19

不错，学习一下
莺莺 Lv7. 资深专家 2017-11-22

不错不错
大大的大团子 Lv4. 资深工程师 2017-11-22

不错
NASA911 Lv8. 研究员 2017-11-21

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