PCB温度管理全攻略：测量、耐受极限与散热策略

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• 如何测量PCB温度
• PCB能承受多少热量？
• PCB高温常见成因
• 如何预防PCB高温
• 联系MCL满足所有PCB需求

温度是印制电路板（PCB）安全、可靠性和性能的关键要素。高温可快速导致故障和永久损坏。

多种情况可将热量引入PCB工作机制。安装在PCB上的元件可能产生过热。外部元件——例如航天系统或医疗应用等复杂系统中的其他元件——可能产生过热。因通风不良热量可能在PCB内积聚。或PCB组装时钻孔焊接产生的热量对元件造成过度热应力，导致缺陷板。

无论原因，工程师都需管理热量方法，确保PCB能经受不可避免的高热应力。有哪些有效PCB散热技术和防止PCB温升方法？下文详细解答。

为何监控PCB温度至关重要？

监控PCB温度至关重要，因高温可改变PCB结构、降低性能或导致失效。

PCB温度测量也关键，因高温导致的问题不局限局部。可快速蔓延至PCB其他元件，引发级联故障和损坏。

PCB过热可造成以下损害：

• 结构完整性丧失： 过热损害PCB完整性。PCB层对温度波动高度敏感，过热过冷会膨胀收缩。过热导致不同PCB层长宽厚变形翘曲。
• 电路线路中断： 过热也导致电路损坏。电路线过热膨胀变形。一旦发生，电路易受频率偏移、失真和直接损耗影响。其导体阻抗也可能从标准50欧姆偏移。毫米波电路和微波电路尤甚，其微小精密元件极易因高温膨胀变形受损。
• 材料膨胀率不匹配： 上述不利影响因不同材料膨胀率不同而加剧。PCB有两基本层类型：介质层和导电金属层。因材料不同，受热膨胀方式不同。过热PCB可能因不同层类型拉扯分离而进一步受损。
• 氧化： 高温下PCB元件氧化也是隐患。外露介质材料若无保护层压涂层，无抗氧化保护。此时材料经高热可能生锈。常导致传输线丢失和损耗因子升高。

如何测量PCB温度

测量PCB温度前，必须确定PCB主要热源——通常是微控制器或微处理器——并定位温度传感器。

也需找到地（GND）引脚，通常连接热源基板。PCB中很大比例热量通过这些GND引脚传至温度传感器。因引脚连接基板，它们是PCB中热阻最小的组件，连接温度传感器和热源。

获取这些信息后，温度监控可开始。PCB温度测量通常涉及三步：

1. 在温度传感器和热源间放置地平面。
2. 将各温度传感器GND引脚连接热源地平面。
3. 确保温度传感器和热源在PCB上保持靠近。

遵循这些步骤可准确精确测量主要热源温度——从而测量整体PCB温度。

PCB最高能承受多少温度？

PCB耐热程度取决于其组成材料。热性能优异材料可靠抵抗高热影响，而某些材料耐高温可靠性较低。玻璃化转变温度（TG）指标有助指示此耐受性。例如FR-4 TG约135℃。

PCB通常定义为高温PCB，若能承受150℃温度极限。某些高温PCB可能耐更高热，但低耐热材料制造的板只能在更低温度安全运行。高温PCB在汽车、工业等极端温度属工作环境一部分的应用中日益普及。

PCB高温常见成因

1. 元件故障导致功耗异常

PCB高温常见成因之一是PCB内某元件故障耗散，无法产生典型功率。发生时，周围元件须产生更多功率补偿。产生更多功率导致过热风险。

2. 贯穿孔干扰

贯穿孔元件和散热元件是PCB供电元件。它们产生热并散热至空气。若散热器焊接不当，或PCB其他元件干扰贯穿孔，其他元件将产生超常热量补偿。此场景也导致过热风险。

3. 表面贴装器件距离

表面贴装器件（SMD）以相同方式连接PCB。它们使电流更顺畅流经贯穿孔和散热元件。但贯穿孔元件和SMD必须保持正确距离。若距离过远，电流传输路径变长。额外传输时间导致接收端元件过长时间保持冷却。发生时，其他元件可能过热补偿。

4. 高频电路

高温在使用高频电路应用中特别易发。因产生更多功率自然产生更多热量。

射频电路例如代表PCB工程快速增长领域。这些电路高度复杂但有许多用途，从医疗工业产品无线安防到智能手机。这些高频电路倾向产生巨大热量，因此此类PCB需特殊设计技术。

5. 无铅焊料

整体PCB行业正向有害物质限制（RoHS）迈进。RoHS PCB用无铅焊料，无铅焊料需高温才能自由流动。

如何预防PCB高温

正如所见，预防PCB温升至关重要。但如何降低PCB热量？工程师可采用几种PCB散热技术：

1. 散热器

PCB基本上是发热工厂，因包含所有发热元件。PCB需某种方式安全散发所有热能。答案通常涉及散热器。散热器安全散热，防止热量积聚损坏板卡。

2. 风扇

大多数电子设备含风扇散热，部分目的为帮助冷却PCB。散热风扇将热量排出电子设备同时引入冷空气，帮助防止过热、延长PCB寿命和性能。

3. 考量材料和元件

选择耐热材料是降低PCB热量最有效策略之一。例如，厚铜板构建的厚铜PCB因耐用性和耐高温能力成优选。它们处理更高电流、耐受更高温度更长时间、提供比标准PCB更强连接点。因此特别适用于汽车、航空、重型机械、电源转换等重载环境。

许多PCB含FR-4，虽作为阻燃剂有用，但耐极高温能力有限。知晓PCB含FR-4结构，可让工程师设计不产生超出材料耐受热量的电路。

射频材料——用于射频电路——和聚酰亚胺也对高温敏感。聚四氟乙烯（PTFE）极常用于射频板，但钻孔热易涂抹且难清除。这些材料虽不如FR-4常见于PCB，但工程师设计时若用这些材料也应谨慎。此类情况强烈建议使用高温层压板。

4. 增加板厚和宽度

PCB中较厚板导热效果不如薄板。它们需更多功率达高温，故经正确工程设计，可帮助降低过热、翘曲和中断风险。

5. 涂覆层压板

涂覆层压板是防止高温损坏另一方式。高温PCB层压板通过为PCB元件提供热保护防止过热。

高温层压板应具以下保护特性：

• 玻璃化转变温度（TG）： 指聚合物从刚性向柔性热力学转变温度。高TG PCB提供卓越保护。
• 分层时间： 高热随时间可分层PCB层压板。最佳层压板在高温下长时间才分层。
• 吸湿性： PCB层压板应具可靠保护性吸湿能力。若PCB在空气受控环境（如实验室）运行，吸湿性可能非高优先级。但若PCB运行环境可能暴露于自然环境，足够吸湿能力至关重要。
• 分解温度（TD）： 指因分解导致层压板5%质量损失的温度。高分解温度提供卓越保护。
• Z轴膨胀： 指材料沿Z轴膨胀占热膨胀系数百分比。较低Z轴膨胀也提供卓越保护。

6. 匹配CTE

热膨胀系数（CTE）测量材料受高温暴露膨胀程度。PCB设计中，理想情况是介质层CTE与铜层相似。这样若层膨胀，以均匀方式进行，导致最小损害。

多层堆叠中，若CTE不匹配，层将以截然不同速率膨胀，导致翘曲和中断。若组装期间发生这种不均匀膨胀，错位也会给钻孔带来严重问题。

选择低CTE PCB材料有助防止过热。例如，填充编织玻璃或微玻璃纤维PTFE电气特性优异，但CTE高。因此热韧性为首要任务时该材料非良选。反之，填充陶瓷PTFE CTE较低，高温表现更好，虽电气特性稍有损失。

7. 保持足够间距

确定PCB元件间距可能棘手。板上元件过近可能导致串扰——即不同元件以不可取方式相互作用。这些不良相互作用导致趋肤效应。趋肤效应发生时，走线电阻增加，导致电阻损耗并给电路增热。趋肤效应在高频PCB特别常见，工程师必须格外小心元件间距防止板过热。

8. 正确集成热管

PCB热管也可帮助散热。管内液体吸收热量，防止其损坏板上元件。

9. 最大化RTI和MOT

相对热指数（RTI）和最大工作温度（MOT）是PCB设计中工程师应密切关注的两项相关测量。

RTI指示材料能承受的最高温度，而不发生性能变化或性能下降。MOT指特定电路板配置能承受的最高温度，而不发生性能变化或性能减弱。工程师设计PCB时应铭记这两指标，选择由这些指标确定具强健耐热性的材料和电路元件。

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