人们需要通过特殊解决方案处理电子产品过热问题的需求正在增加。技术的快速发展衍生了相关要求，不仅限于PCB方面。NCAB专家将在本期中阐述该领域的发展动态以及可行的热管理方法。
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在现代电子系统中，特别在电源应用中，有两个关注重点：效率和热管理。效率决定了实际上有多少电量无损传输；热管理则确保系统设备运行时保持可接受的温度水平。简单来说，热管理是指将过多热量从一处转移另一处。传统办法是在产生过多热量的特定部件上安装外部散热片。但是，如果PCB本身产生热量，或者部件机械结构不允许安装散热片，该怎么办？
如果电流传输不当，必然会转化成热能。必须消除这种热能，才能避免设备温度上升。如果降温不充分，则可能对部件造成损害或缩短部件的寿命。
就电子设备和 PCB而言，我们的目标是从部件转移走过多的热量，在PCB内部或两侧进行散热。为此，我们有时会结合被动散热方案，比如通过外部散热片进行通风或使用冷却液。
“人们必须另辟蹊径，找到散发或转移过多热量的新方法。”
Jeffrey Beauchamp
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA
创新增加了对热管理的需求
近年来，对电子系统热管理解决方案的需求稳步增长。NCAB 集团（美国）的技术经理Jeffrey Beauchamp 和NCAB集团（意大利）的FAE工程师 Mario Cianfriglia 解释了如何通过行业技术创新满足散热需求。
Jeffrey Beauchamp解释道，“当前，微型化是大势所趋，电子产品和部件变得越来越小，印刷电路板也愈加紧凑。这使得应用散热片等传统解决方案变得越来越困难，因为它们占据空间太大。因此，人们必须另辟蹊径，找到新办法。”
设计师面临的另一个新因素是电子产品需要执行更多的功能、更快的运算速度，那么就会产生更多的热量。
Mario Cianfriglia 指出，“简单来讲，电子产品的小型化推动了PCB的微型化。在这些元件上，每平方厘米（cm2）上的互联点数量不断增加。这都是为了容纳最新一代0.4毫米或更小间距的BGA 部件，后者用于管理数字信号和电源信号。”
“简单来讲，电子产品的小型化推动了PCB的微型化。”
Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy
应用的热管理，新的挑战
Mario Cianfriglia 还强调，由于电子元件被使用在越来越多的应用当中，设计师面临新的挑战。
他指出，“在有些情况下，热管理可能会非常严格，例如能源行业、工业应用或汽车行业，特别是电动车。电信或雷达系统等更复杂的应用也是如此。” 随着5G（第五代移动通讯）的不断应用，电子产品将包含越来越多的部件。这些部件的运行速度越来越快，从而产生更多热量。与此同时，还需要绝对确保 5G 应用中的信号完整性。
“PCB 目前能够处理3 至 5 GHz 信号，但随着5G功能的完善，它们 [必须]处理约 25 GHz 及更高频信号。”
Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy
Mario Cianfriglia 说道，“这是最前沿的技术，信号完整性至关重要。PCB 目前能够处理3 至 5 GHz 信号，但随着5G功能的完善，它们 [必须]处理约 25 GHz 及更高频信号。为确保在所有运行条件下的信号完整性，我们必须掌握正确的热管理。处理高频信号的PCB在设计时必须考虑适当的层叠结构、特殊原料、布线路径、接地层、供电和信号。”
Jeffrey Beauchamp表示，“我们看到，热管理的需求正开始增长；我认为，这种需求可能会继续增加，这有望带来更先进的新型技术。”
通过分析程序预防问题
在产品开发过程中，人们使用各种技术识别与热量有关的潜在问题，并开发出特种软件包用于预防性分析。重要的是，印刷电路板在设计阶段便应做到各方面尺寸正确。因此，人们必须了解部件的要求，根据它们在信号和电源方面的需求确定走线和间距尺寸，并选择适当的镀铜和基材厚度。
现有许多用于预防性热分析工具和软件包，可以在设计层面确定各项尺寸。人们必须了解部件的需求，根据它们在信号和电源方面的需求确定走线和间距尺寸，选择适当的镀铜重量或厚度，以及基材。
对于简单的PCB，如果通过外观检测发现明显损伤，那么完全可归因于电流。温度升高会导致基板逐渐劣化，造成树脂碳化。因此，在热能积聚的区域早期可观察到发黄现象。
人们可以模拟PCBA 的运行，用红外摄像机检查温度超出允许范围的区域。但到了这个阶段，我们只能识别异常，而无法避免风险。* 我们的建议是在项目的前期阶段就寻求PCB供应商的支持，以便获得设计建议，帮助设计师出色完成任务。”，Mario Cianfriglia 说道。
热管理需求的驱动因素
- 微型化，更紧凑的 PCB上聚集尺寸更小和数量更多的部件。
- 电子元件正被使用在越来越多的应用。
- 部件运行速度更快，因而产生热量更多。
- 新技术需要处理更高频信号和更高电能，产生更多热量。
- 随着5G的应用，信号完整性变得更重要，增强了热管理的必要性。
专家及早介入
Jeffrey Beauchamp表示，“真正聪明的设计师会在构造电路板之前先进行热模拟，直观了解可能遭遇的问题。但是，许多公司没有能力开展复杂的热能计算，也不具备必要的软件。因此，他们只能简单地应用最佳范例，只在问题出现时才会提出疑问。他们有时会在执行测试和检测到热能相关的问题时向我们求助。”
他建议应该让NCAB这样的专业机构及早参与设计流程。
“开始时就选择正确方案会节省大量时间和金钱，避免不必要的麻烦。”
Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA
“这样，我们或许能够建议采用其他层叠方案或其他材料，快速彻底地避免问题。有时候，这样做可能还不够，我们还得引入更复杂的解决方案。但是，最好还是让我们及早介入，因为重新制作和测试电路板可能会花费许多时间和成本。NCAB始终强调从一开始就做对。对热管理问题来说，这点更加重要，因为这类电路板的制造成本更高。开始时选择正确方案会节省大量时间和金钱，避免不必要的麻烦。”
如何处理裸板层面的过多热量？
现在有多种途径可以处理裸板层面的过多热量。我们就此向 Jeffrey Beauchamp 和 Mario Cianfriglia咨询若干问题。
什么时候需要考虑裸板层面，而非仅仅考虑装配层面的特殊热管理解决方案？
Jeffrey Beauchamp (JB): “在组装件层面，人们使用散热管或散热片，将热量从元器件转移到空气中，必要时还会使用通风冷却或液体冷却。如果这样做依然未能解决热量问题，则需要考虑裸板层面的解决方案。组装件层面和裸板层面密不可分，因为组装件层面将吸收来自元器件的热量，将其排放到空气中，而在裸板层面，我们将把热量通过电路板转移到表面，利用组装件层面冷却进行散热。”
如何处理裸板层面的过多热量？
Mario Cianfriglia (MC): “在一个被妥善管理的项目中，设计阶段就应考虑到在电路板上元器件的布局及走线的尺寸。还必须确保足够的镀铜厚度，达到更高效的散热。设计师必须同时考虑组装件中的部件及所使用的基础材料的全部数据。他们还必须了解 PCB 未来运行环境的温度，根据 Tg（玻璃转化温度）和Td（热分解温度）确定最适合的材料。PCB 绝对不能置于接近热分解温度的应用场景，以免导致PCB 过早失效。”
JB: “在电路板层面，有几种途径可以转移过多热量。最简单的办法是将PCB与铝基材料压接。我们在低端 PCB中看到过这种做法，这是一种最简单的设计。与导热PP结合使用，可以实现最基础的热管理。接下来是绝缘金属基板，即所谓IMS PCB，工业照明大量采用这类方案。该方案一般用于单层电路板。通常是铝制的金属基板会被涂覆薄薄的一层PP或树脂材料，随后再附上一层铜箔。IMS 也可用于两层板或最高四层板中，但设计方面会更复杂。有些较高端的汽车前灯采用具有金属弹性且可弯曲成型的单层 IMS。”
PCB 绝对不能置于临近材料热分解温度的环境，以免导致PCB 过早失效。”
Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy
MC: “比IMS更进一步的热管理技术是密集孔散热。这个领域要复杂得多，生产工艺当然也更复杂。简单来讲，人们要用到各项可行的散热技术，在孔壁镀上很厚的铜 ，然后用导热和非导热树脂填充，最后用铜覆盖孔洞表面，从而提高孔洞的导热性。这一切都是为了创造一个能够转移大量热能的通孔矩阵。设计师必须牢记所有运行参数，并且懂得在何处安置特定部件。”
JB:“作为导热材料，铜的导热性仅次于钻石。因此可以肯定，铜是转移热量的理想材料。可以说，我们利用通孔矩阵创造出转移热量的更多通道。”
MC: “最后，一种被称作‘埋铜’的方法是目前最先进的热管理解决方案。这种方案包含预定尺寸和形状的铜制元件，比如高度不等的圆柱体或正方体。往往采用 T型，以便将尽量多的热量转移到电路板的另一侧。这项技术用于冷却活跃部件，如 QFD（四边扁平封装）。为尽可能冷却部件，可选择使用多种不同技术，将‘铜块’放置于部件的正下方。 可以将它们贴附到表面，或者通过压合工艺将其置入PCB内部，亦或压接安装。”
JB: “如果其他方案不奏效，应当开始考虑采用‘埋铜’技术。有时候，客户在测试电路板遇到散热问题时，会向我们咨询这项技术，但他们往往没有意识到，将这类解决方案引入已有的架构非常复杂，且成本昂贵。内置一个散热铜块听起来容易，但可能需要作出极大的结构性变化。解决问题往往有更简单的办法。杀鸡焉用宰牛刀，有更简单的工具来解决问题。”
“如果其他方案不奏效，应当开始考虑采用‘埋铜’技术。”
Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA
不同的热管理方法各有什么利弊？
MC: “选择什么样的方案管理热量问题取决于具体的应用。在大多数情况下，成本可能是影响选择的首要因素，而成本又与相应技术的复杂度有关。”
JB: “‘埋铜’技术的优势在于可以实现绝佳导热性。部件直接绑定铜块和散热片。但正如我提到过的那样，这意味着高成本和复杂性。这种方案对设计的要求较高，只有少数工厂能够生产此类电路板。
相比之下，密集孔的优点是几乎任何工厂都能支持这种方案，只需要钻孔。因而，制造成本相对较低，也不需要大幅改造架构。添加通孔本身会限制空间及在可利用表面上的走线布局，但就制造而言，它仍是比‘埋铜’技术更容易的解决方案。密集孔的一个缺点在于，在镀层时必须耗用更多铜。由于目前铜价上涨，这项方案也会对成本产生影响。虽然也可以使用导热环氧树脂作为替代，但成本相对昂贵，而且导热性也不如铜。
无论‘埋铜’还是密集孔，都存在一个潜在弊端：由于热传递能力很强，装配厂家可能会遭遇组装难题。我们在与 PCB 设计师交流时，建议他们同时联系装配厂家。
IMS 的优点在于简单、高效，制造难度适中；缺点在于极大地限制了电路板的层数。单层IMS 很常见，双层 IMS 则较少见，设计风格受到一定限制，而三层 IMS 则非常罕见。NCAB最多能够支持四层IMS，但做起来并不容易。这项技术的成本比‘埋铜’电路板低，但对层叠、互联等提出了特殊要求。”
“无论客户在哪个地区，我们都能够支持各种热管理方案，从IMS、密集孔到‘埋铜’技术。”
Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA
NCAB在这方面可提供什么帮助？
MC: “我们可以为客户提供上述三项技术的支持，不管使用哪项技术，都需要考虑许多参数。借助我们丰富的设计经验，我们能够为具体应用推荐最合适的散热方案。我们还拥有能够制造这些产品的工厂。越早允许我们参与项目，就越有利于客户找到最佳解决方案。”
JB: “无论客户在哪个地区，我们都能够支持各种热管理方案，从IMS、密集孔到‘埋铜’技术。我们都可以在从样板到量产的各个环节提供帮助。客户可以利用我们在热管理领域的专长获益良多，特别是考虑到特殊解决方案持续增长的需求。因为我们每天都在处理此类问题，恐怕没有哪家公司比我们更深入了解相关的可行方案。”
印刷电路板的三种主要热管理途径
- IMS（绝缘金属基板） -通常是铝基，将铜箔、导热PP与金属基板压合在一起。
- 密集孔 – 使用更多通孔，并增加孔壁铜厚或使用导热树脂来散热。
- 埋铜 – 在PCB中置入铜块来进行特殊组件的散热。
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