如何采用多层PCB布局的方法来提高电源模块的散热性能

图3:ISL8240M电源模块使用的四层0.062”电路板的层叠排列

该PCB主要由FR4电路板材料和铜组成,另有少量焊料、镍和金。表1列出了主要材料的导热系数。

如何采用多层PCB布局的方法来提高电源模块的散热性能

SAC305* 是最流行的无铅焊料,由96.5%锡、3.0%银和0.5%铜组成。 W = 瓦特,in = 英寸,C = 摄氏度,m = 米,K =开氏度

我们使用式1 来确定材料的热阻。

式1:计算材料的热阻

为确定图3中电路板顶部铜层的热阻,我们取铜层的厚度(t)并除以导热系数与截面积之积。为计算方便,我们使用1平方英寸作为截面积,这时A=B=1英寸。铜层的厚度为2.8密耳(0.0028英寸)。这是2盎司铜沉积在1平方英寸电路板区域的厚度。系数k是铜的W/(in-°C)系数,其值等于9。因此,对于这1平方英寸2.8密耳铜的热流,热阻为0.0028/9=0.0003°C/W。我们可使用图3显示的每层尺寸和表1中的相应k系数,来计算每层1平方英寸电路板区域的热阻。结果如图4所示。

如何采用多层PCB布局的方法来提高电源模块的散热性能

图4:1平方英寸电路板层的热阻

从这些数字,我们可知33.4密耳(t5)层的热阻是最高的。图4中的所有数字显示了从顶层至底层的这四层1平方英寸电路板的总热阻。如果我们添加一个从电路板顶层至底层的通孔连接会怎样?我们来分析添加该通孔连接的情况。

电路板使用的通孔的成孔尺寸约为12密耳(0.012英寸)。制造该通孔时先钻一个直径为0.014英寸的孔,然后镀铜,这会在孔内侧增加约1密耳(0.001英寸)厚的铜壁。该电路板还使用了ENIG电镀工艺。这在铜外表面上增加约200微英寸镍和约5微英寸金。我们在计算中忽略这些材料,只使用铜来确定通孔的热阻。

式2是计算圆柱形管热阻的公式。

式2:计算圆柱形管热阻

变量l是圆柱形管的长度,k是导热系数,r1是较大半径,r0是较小半径。

对12密耳(直径)成孔使用该式,我们有r0=6密耳(0.006英寸)、r1=7密耳(0.007英寸)和K=9(镀铜)。