隨著對更小、更快、更便宜的微電子的需求推動設備以更高的性能水平運行，熱管理已成為電力電子設備的關鍵要求，包括電源、逆變器、快速充電器和電機控制。

通過實驗，作者研究了兩種熱管理解決方案 - 熱通孔和嵌入式氮化鋁（AlN） - 并就何時使用哪種解決方案提出了建議。

一個 6.6kW 雙向車載電動汽車充電器參考設計證明了所提出的熱管理解決方案的適用性。

1. 熱管理挑戰和解決方案

隨著電子應用繼續以更小的設備尺寸實現更高的性能，組件也朝著更高的功率密度邁進。反過來，這意味著我們的應用產生的熱量比以往任何時候都多。不受控制或管理不善的熱量是電子系統故障的主要原因之一，這使得實現良好熱管理的設計時間和精力花得值。

熱管理的主要目標是盡可能快速有效地散熱。將熱量從電子元件傳遞出去有三種主要方法：傳導到PCB，對流到直接環境，以及輻射到另一個表面。對于許多應用，傳導是設計人員可用的最有效和最現實的方法。

SMD 對熱管理的影響

使用電源應用中常見的表面貼裝器件（SMD）可能有助于減小尺寸并使制造自動化更容易實現，但它對熱管理提出了挑戰。

常用的印刷電路（PC）層壓板（如玻璃增強環氧材料FR4）具有良好的電絕緣性，也是良好的熱絕緣體。除此之外，對基于碳化硅（SiC）的功率器件的需求也增加了功率密度，仔細考慮傳熱選項的需求變得更加重要。碳化硅基板的高導熱性可有效地將熱量傳遞到導熱墊和PCB，在那里它面臨高熱阻。

克服PCB層壓板導熱系數低的最具成本效益的方法是在低功耗應用中使用熱通孔陣列。但是，確定陣列模式以最大限度地提高熱性能并非易事。

許多可用的文獻[1][2][3]討論了熱通孔直接位于熱源下方的位置。然而，在印刷電路板上放置鍍銅熱通孔會帶來另一個挑戰[1]，如圖1所示。由于熱通孔位于器件的焊盤下方，在回流過程中，焊料會流入或“吸芯”到過孔中。這會導致焊點處出現空隙，對其可靠性和使用壽命產生不利影響。

圖1：由于焊料芯吸到設備下方的鍍銅熱電介質中而導致的焊料空洞

這個問題可以通過用導熱材料（如樹脂或銅）填充過孔來避免。無論使用何種技術來填充過孔，都需要額外的材料和加工。這增加了制造成本。

克服層壓板導熱系數低的另一種方法是使用絕緣金屬基板（IMS）底座。[4] IMS 廣泛用于高亮度 （HB） LED 照明的 PCB，但對于多層 PCB 設計，結構復雜，需要樹脂涂層箔或薄膜和導熱預銷。這再次增加了制造成本。

PCB設計人員可以使用的較新選擇是使用嵌入式陶瓷。嵌入式層導電性差，但導熱性好，可用于高功率密度應用。

為了幫助設計人員選擇正確的熱策略，我們進行了一項研究（隨后進行了討論），以找到有關使用熱通孔和嵌入式AlN陶瓷的建議。

2. 熱通孔適合低功耗應用

在這項研究中，來自研究和制造商文獻[2][3]的信息用于選擇0.3 mm直徑的熱通孔尺寸和1 mm的陣列中心到中心間距。

由于器件下方的熱通孔會導致焊料芯吸，因此我們在SMD周圍布置了通孔，如圖2所示。在已經選擇了孔尺寸和中心到中心距離后，我們只需要決定在器件的每一側放置多少行熱通孔。

圖2：設備焊盤周圍的熱通孔模式

選擇并仿真不同的陣列模式，以找到熱阻抗方面的最佳導熱系數模式 - X 和 Y 方向上的通孔數量將提供最佳熱結果。為了驗證仿真，制造了具有不同熱通孔排列的PCB，并測量了熱阻。

仿真針對七引腳D2PAK SiC MOSFET。我們對設備進行了建模，并使用了帶有兩個銅層的PCB。銅層厚度為~60毫米，PCB的整體厚度為1.6毫米。

所考慮的三種選擇過孔模式如圖3所示。

圖3：由于模式是對稱的，因此上面顯示了每個數組的一半。在型號 A 和 B 中，過孔分別排列在設備的三個側面的 10 行和 1 行。在 C 型中，過孔填充整個 1 × <> 英寸銅區域。

考慮可用的熱管理選項使用的各種材料及其廣泛的導熱系數和物理特性（表 1）。表中的值用于模擬。

表 1：使用數據表計算最高耗散功率。

熱擴散模擬

模擬邊界條件固定，底部對流系數為1，200 W/m2K。功率器件的損耗為 6 W。模型 B 的熱擴散模擬如圖 4 所示。模擬結果顯示在右側的表格中。

圖4：模型B（頂部）和仿真結果（底部）仿真中的溫度分布

仿真結果表明Θ板，PCB板通過熱通孔的熱阻。他們揭示了熱量傳播到第10個通過，在第六個通過之后顯著下降。研究發現，熱量不會擴散到所有過孔，這意味著簡單地添加過孔無助于管理熱量。

驗證

然后制作所有模型， 并通過實驗測量PCB的熱阻以驗證仿真.Θboard的實測結果均接近4°C/W，在合理的模擬范圍內，考慮了實驗變化和不可控因素。

使用熱通孔的建議

仿真和實驗結果表明，熱通孔具有預期的高熱阻，使其僅適用于低功耗應用。對于熱通孔陣列設計，我們建議采用以下方法：

避免將過孔放置在 MOSFET 漏極片下方，以防止焊料芯吸通過它們。

雖然建議陣列中的通孔直徑為 0.3 mm，中心到中心距離為 1 mm，但制造能力可能會有所不同。

采用 35 μm 鍍銅的熱通孔可實現良好的熱性能，制造成本上升有限。

與較大的 1 英寸方形陣列相比，在所有三個方向上均勻分布的通孔更有助于降低熱阻和提高熱性能。

通過熱通孔陣列傳播的熱量限制在距離器件邊緣 10 mm 以內。建議從器件的每個邊緣延伸至少 10 個過孔陣列，但每個方向超過 <> 個過孔是沒有用的。

3. 嵌入式AlN可滿足高功率要求

對于電動汽車 （EV） 車載和非車載電池充電器等大功率應用，由于對熱阻抗的影響有限，使用熱通孔散熱是不切實際的。由于IMS方法也被排除在此類應用中 - 雖然單面PCB設計可能存在可靠性問題，因為它們需要控制信號通過連接器來自另一個PCB，多層設計的更奇特的解決方法增加了復雜性和制造成本 - 我們研究了AlN方法。

AlN是一種獨特的陶瓷材料，因為它具有高導熱性和高電阻率。然而，它不像氧化鈹（BeO）那樣有毒，也不像立方氮化硼（c-BN）那樣難以生產[5]，其他具有高導熱性的陶瓷。

像其他陶瓷一樣，它提供了額外的好處，如剛性、耐化學性和不吸水。常規的多層PCB設計可用于具有AlN的復雜電路，目前已用于HB LED[6]，激光和高電流開關應用。然而，沒有研究報告它在大功率應用中的使用。

用AlN模擬PCB類似于前面對熱通孔PCB的建模。唯一的區別是嵌入式導熱AlN塊放置在PCB的頂部和底部銅焊盤之間。選擇的AlN塊為6.5×10.5毫米，厚度為1.6毫米。

圖5：嵌入AlN的PCB的熱仿真（左）顯示了向PCB底部的傳熱，沒有明顯的擴散。AlN模塊位于原型中功率器件的著陸墊下方（右）。

嵌入式AlN嵌入式PCB的熱性能

仿真顯示沒有熱量擴散（圖5），熱量直接傳遞到PCB底部。仿真結果表明，AlN模塊的熱阻僅為0.21°C/W，通過實驗室測試驗證，原型在0.23°C/W時具有低熱阻。

將其與使用熱通孔的PCB獲得的4°C/W進行比較，很明顯，嵌入式AlN模塊為高功率應用提供了更優越的熱管理。

6.6 kW 充電器的熱管理

由于嵌入式AlN解決方案可以與常規多層PCB集成，因此其高導熱性和電氣隔離性相結合，可以比IMS解決方案更好地提高功率密度。

為了在實際應用中超越仿真來證明這種能力，我們設計了一個 6.6 kW 雙向電動汽車車載充電器，采用 AlN 嵌入式 PCB 技術[7]。它成功地提供了良好的熱管理，峰值系統效率>96.5%。

圖6：在嵌入式 AlN PCB 上使用表面貼裝碳化硅 MOSFET 封裝的 6.6kW 電動汽車車載充電器參考設計

審核編輯：郭婷