电子组件的热管理

作者:Lackwerke Peters GmbH & Co. KG公司销售代表主管:Michael Kollasa

高封装密度和高效能元件在局部会产生高热负荷,很容易超过单个元件的最大允许量。为了应对这种情况,组件的热管理变得越来越重要。否则,元件过热,从而导致故障,在最坏的情况下,元件会损坏。

散热的关键因素:1)热量从热产生点即功率元件迅速散发;2)从整个组件散发热量也是很重要的。有可供选择的各种主动冷却(如热管、风扇)和被动冷却(如铜镶嵌)解决方案。如果这些不能被纳入组件,或者如果需要额外的导热路径,可以选择聚合物基传热介质,也称为热界面材料。

热传导能力,即热导率,是一种特定的材料性能。金属的热传导性最好,其次是无机固体。

然而,除了热量外,在许多情况下还必须确保电气绝缘,这减少了基于金属的高性能导热材料的适用性。无论如何,为了获得高热传导性,可以选择导热陶瓷含量高的材料。

用于双面PCB的可印刷散热膏

热源和可能的散热表面(散热器)通常位于PCB的不同侧面。为了增加导热系数相对较低的基材的热传导,可采用热耦合器(图1)。

在热耦合器设计中,镀金属的通孔即热通道对热阻起决定性作用。电镀通孔数量的增加会降低热阻,金属热通孔厚度的增加也会降低热阻。

传统上,金属散热片通过粘合方式连接到热耦合器(图2)。然而,各层之间的热阻将降低热传导。此外,散热器的粘合意味着一个非常劳动密集型且成本高昂的过程。

首先金属箔须在适当的模具中冲孔,这需要操作冲孔工具。随后,应用双面胶箔,在PCB上定位散热片。出于电气绝缘和防腐目的,还需要在金属箔上涂覆适当的油墨系统。这种散热器通常有几百微米高。以过程安全的方式实现足够的边缘或侧面覆盖,并不总是容易的。

由于上述步骤很难实现自动化,因此必须手动操作,这意味着要花费大量的时间和人力。

传热膏可在PCB制造现场,以所需的布局印刷在PCB表面,作为散热片,消散热量到整个表面,或作为热界面,促进热量传导到金属散热片。

印刷的散热片不仅消除了散热片和胶箔之间、胶箔和PCB之间以及胶箔和热通孔之间的热阻,而且也消除了胶箔本身(图4)。印刷工艺填充了热耦合器的通孔,即热通孔,并减小了热阻值。印刷散热片与热耦合器完美连接。

印刷散热片的一个主要优点是,印刷散热片部分地填充了导热通孔,从而扩大了接触面积。这大大促进了热传导,因为热阻随着接触表面的增加而减小。由于非金属特性,印刷散热片中的横向散热比金属箔低。因此,在不进行热分析的情况下,用印刷散热片简单地替代金属箔是不可能的。

结论

可印刷散热片的主要应用是,通过PCB背面的热耦合器散热是可行的,并且可达到约2 W/m K的热流。可印刷散热片是一种特殊的解决热问题的方法,用于使用金属箔的成本太高,或者由于布局配置的原因无法选择金属箔的场合。

可印刷散热片也可成功地应用于铜表面作为散热片。在这种情况下,通过使用可印刷散热片覆盖铜表面,可以将铜表面减少50%以上。在这里,由于散热器的绝缘性能,可以不使用绝缘涂层。 使用可印刷散热片不仅对PCB生产公司有利,对PCB用户也有利:由于印刷散热片没有任何导电性,提高了功能可靠性。由可能的短路引起的故障是不可能的。除了优异的粘合强度外,与传统的金属体相比,可印刷散热片可减轻约50%的重量。简单的印刷过程还允许配置完全不同的散热片。此外,此方法还可以快速更改散热片的形式.

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