编者注:本文选自电子书《印刷电路设计师指南》的第二章。热Management: A Fabricator's Perspective" authored by Anaya Vardya, CEO, American Standard Circuits, and published on iConnect007在这里．
绝缘金属pcb (IMPCB)或金属包层pcb (MCPCB)是一种热管理设计，利用一层固体金属来驱散pcb上各种组件产生的热量。当金属连接到PCB上时，键合材料可以是导热但电隔离的(IMPCBs或mcpcb)，或者在射频/微波电路的情况下，键合材料可以是导电和导热的。射频设计人员通常使用导热和导电的粘合材料的原因是，他们不仅使用它作为散热器，而且作为地面层的一部分。对于这些不同的应用程序，设计考虑因素是非常不同的。
本章将重点介绍IMPCB的设计注意事项，第四章将重点介绍射频热管理。我们将专注于设计师应该与他们的PCB供应商讨论的事情，以确保可制造性和成功的产品发布。由于选择、选项和决策可能是极其复杂的，因此关键是尽早与PCB制造商就具体设计进行接触和合作，以确保最具成本效益的解决方案。
一些的的更多的常见的应用程序的IMPCBs包括:
权力转换:热包层提供各种热性能，与机械紧固件兼容，是高度可靠的
led灯:使用热包层pcb确保尽可能低的工作温度和最大的亮度，颜色和寿命
光伏能源:可再生能源为电信、军事营地、住宅和商业建筑以及电池充电站供电
马达驱动器:热包层介质选择提供所需的电气隔离，以满足操作参数和安全机构的测试要求
固态继电器:热包层提供了一个非常热效率和机械健壮的基板
汽车:汽车工业使用热覆板，因为他们需要在高工作温度下的长期可靠性，加上他们对有效空间利用的要求
IMPCB好处
- 优良的表面贴装冷却性能
- 高电气隔离、绝缘、散热
- 低成本
- 强大的热性能
- 电介质的热导率在0.6-8 W/mK范围内
- 可制造性(与标准PCB加工集成)
热特性解释
为了能够根据热条件设计合适的IMPCB解决方案，需要对许多不同的热性能有全面的了解，包括热导率、热阻抗和热阻。
热导率
物质导热能力的测定(W/mK)
一种材料性质，意思是当材料的尺寸改变时，它不会改变，只要它是统一组成的。例如，1立方厘米的黄金的热导率与100立方的黄金的热导率完全相同
通常在行业中使用两种测试之一获得:D-5470测试，或E-1461标准ASTM测试
D-5470测试测量样品的热阻抗(Kcm2/W)，通过以下关系确定热导率:
导热系数=热扩散系数*比热容*密度
热阻抗
- 这与热导率相反。它是一种材料抵抗热量流动的能力的测量，所以从PCB的角度来看，我们希望这个值较低。热阻抗越低，通过PCB和散热片的热流越快
- 它的值取决于材料的导热系数及其厚度;换句话说，这不是一个材料属性，而是一个对象属性，因为改变材料的厚度将改变这个值。然而，改变材料的面积不会改变这个值(只要厚度保持不变)
- 例如，层压板的热阻抗与层压板的切割片的热阻抗相同，例如1平方厘米。然而，厚度为1毫米的金箔的热阻抗与厚度为2毫米的金箔的热阻抗是不同的
- 这通常是通过上面提到的D-5470测试得到的，通过以下关系与热导率有关:
热阻抗=厚度/热导率
热阻
- 热阻(以K/W为单位)与热阻抗基本相同。不同的是，它考虑了样品的面积以及厚度和电导率
- 改变材料的厚度或面积，将改变相关的热阻值如下:
热阻=厚度/(热导率*样品面积)
单面IMPCBs
在它的简单的形式,一个IMPCB是一个一块的铜箔那是保税来导热介质和金属基板(图2-1)。Typi -如果是PCB供应商，可以购买到贴合到母材上的铜箔来自几个不同的层压板制造商。层压板选择指南是提供在附录B。
需要考虑的一些关键设计因素包括以下几点。
铜的厚度
通常在1 - 6盎司之间，1盎司和2盎司是最常用的。铜越厚，PCB的成本就越贵。
导热预浸料
这是这种结构中最重要的元素之一，也是区分不同供应商的典型元素。这种物质既能在电上隔离铜电路与主金属，又能帮助铜电路与主金属之间的热快速传递。它能确保部件产生的热量尽可能快地分散到母材(散热器)上。预浸料通常是有机树脂与陶瓷填料，以增加热导率。填料类型、尺寸、形状和百分比是决定导热性能的一些因素。常用的陶瓷填料有Al2O3、AlN、BN等。
各种预浸料的性能是通过热电导率(W/mK)和热阻抗(Km2/W)。越高热电导率,的更好的的热转让、而且的较低的的热阻抗越大，传热效果越好。然而，它也很重要理解那的更好的的热转移相关的与的半固化片,的更大的的成本。因此，不要过度设计是至关重要的。从这个角度来看，FR-4的热导率约为0.2 - 0.4W/mK，而目前市场上可用的导热预浸料在1 - 7w /mK之间。除了导热性，介质的厚度也很关键。通常，电介质的厚度范围在2 - 6mil之间，其中最常见的是3mil电介质。
基地金属
铝是最常用的贱金属。最常见的两种类型是5052H32和6061T6。5052H32通常比6061T6更便宜，更容易获得。铝的厚度通常在40 - 120密耳之间，但40和60密耳是最常见的厚度可用。
表格2 - 1:属性的各种各样的基地金属。
也有铜被用作贱金属的情况。铜有时用于更好的导热性，机械强度，和CTE匹配较厚的铜箔。在大多数应用中，铜基板的热优势是不显著的，因为基金属的热阻相对于介电层和组件的热阻较小。这是一个成本高得多的解决方案，重量也重得多。表2-1对各种贱金属作了简要的比较。
最高工作温度
与PCB制造商和原材料供应商合作，确保所选材料满足MOT要求。
击穿电压
确保你了解材料介电介质击穿和短路的电压。一般来说，电介质越薄，这个值就越低。
面板利用率
IMPCB层压板材料明显比fr材料贵。大致说来，0.062英寸的IMPCB材料可能比0.062英寸的FR-4材料贵三倍。因此，了解电路板/阵列设计如何利用生产面板是极其重要的。这是另一个与PCB供应商早期接触很重要的领域。在这些材料上的工作面板最流行的尺寸往往是18 " x 24 "。由于许多pcb作为阵列处理，因此确保阵列设计使面板利用率最大化是至关重要的。由于材料的刚性，许多大型pcb在装配操作中可能没有导轨进行加工。这可以极大地帮助提高面板利用率。
加工/制造
刻痕是最常用的方法，用于正方形或矩形形状。评分的优点是，它有助于最大限度地利用材料，因为评分需要零部件之间的零间距。相比之下，路由是最昂贵的过程，因为它更慢，需要零件之间的间隔，可能会减少材料的利用率。确保PCB制造商有一个专门为评分铝设计的评分系统。刻痕机应配备润滑系统。在处理铝基金属时，建议使用金刚石涂层的刻痕刀片和切削钻头。
焊接掩模
有许多单面IMPCB设计用于LED照明应用。大多数这些应用需要白色掩焊。因此，解决这个问题是很重要的，因为所有的白焊掩模都是不一样的。许多LED客户都在寻找他们的白色焊锡掩膜颜色的一致性。今天的市场上有几种不同的焊锡掩模，被称为LED焊锡掩模。
图2-2:两种不同类型的掩焊膜上的不同颜色。