车载充电PCB的高温散热优化:材料与结构的协同设计
车载充电模块是新能源汽车的 “能量入口”,但其工作时的发热问题一直是行业痛点 —— 尤其是快充模式下,IGBT 功率器件、整流桥、电感的功耗可达到 50W 以上,热量集中在充电 PCB 上,若散热不及时,局部温度会突破 150℃,不仅会导致器件性能降额(如 IGBT 导通压降增大),还会加速绝缘层老化,缩短充电模块寿命,严重时甚至引发热失控。据行业统计,约 25% 的车载充电故障与 PCB 散热不足直接相关。因此,车载充电 PCB 的高温散热优化,已成为保障充电模块可靠性的关键技术方向。
散热优化的核心是 “构建高效热传导路径”,材料选择是基础。传统 FR-4 基材的导热系数仅为 0.3-0.5W/m・K,热量难以快速传导,需选用高导热基材:铝基板(导热系数 2.0-5.0W/m・K)适用于中低功率充电模块(30W 以下),可将热量从器件传导至铝基板背面的散热片;铜基板(导热系数 300-400W/m・K)则适配高功率快充模块(50W 以上),其导热效率是 FR-4 的 600 倍以上,能快速将 IGBT 的热量导出。某车企的 4C 快充模块(功耗 60W),初期采用 FR-4 PCB,IGBT 底部温度达 158℃;更换为铜基板后,温度降至 102℃,完全满足 IGBT 的 125℃最高结温要求。
除基材外,“埋置元件工艺” 可减少发热源与 PCB 的热阻。传统充电 PCB 的电阻、电容采用表面贴装(SMD),器件与 PCB 之间存在空气间隙(热阻约 5℃/W),热量传导效率低;埋置元件工艺将电阻、电容直接嵌入 PCB 内层,与铜箔紧密接触,热阻可降至 1℃/W 以下,大幅提升散热效率。例如,某充电模块的限流电阻(功耗 10W),SMD 封装时电阻表面温度达 140℃;采用埋置工艺后,温度降至 95℃,同时还减少了表层器件布局空间,缩小 PCB 体积 20%。
散热过孔与铜箔布局是强化热传导的关键结构设计。在功率器件(如 IGBT、整流桥)下方,需设计 “散热过孔阵列”—— 过孔孔径 0.2-0.3mm,间距 0.4-0.6mm,过孔内壁电镀厚铜(20-30μm),将器件热量从表层传导至内层或背面的散热铜箔;同时,在 PCB 背面布置 “大面积散热铜箔”(占比≥70%),铜箔厚度 2oz 以上,形成 “热扩散层”,将集中热量分散到整个铜箔表面。某 Tier1 供应商的车载充电 PCB,通过 “100 个散热过孔 + 背面 4oz 散热铜箔” 设计,将整流桥的温度从 135℃降至 88℃,散热效率提升 35%。
针对极端高温场景,还可采用 “热电分离结构”。在 800V 高压快充模块中,部分器件(如 SiC MOS 管)的局部温度可达 180℃,普通散热方案难以应对,需在 PCB 中设计 “热电分离层”—— 将导电层与导热层分开,导电层负责电流传输,导热层(如铜合金)专门负责热量导出,两者通过绝缘材料隔离,既保证电气安全,又实现高效散热。某高端车型的 800V 快充 PCB,采用热电分离结构后,SiC MOS 管的温度从 182℃降至 115℃,满足长期工作要求。
车载充电 PCB 的高温散热优化,需材料、工艺、结构的深度协同。捷配针对这一需求,提供 FR-4、铝基板、铜基板等多类基材选择(铜基板导热系数可达 400W/m・K),支持埋置元件工艺(电阻、电容埋置深度 0.2-0.5mm),可制作高密度散热过孔阵列(最小孔径 0.2mm,间距 0.4mm),同时具备热电分离结构设计能力,所有产品符合 IATF16949 车规认证,通过 150℃高温老化测试,批量良率稳定在 99.7% 以上,适配中低功率充电、4C/5C 快充、800V 高压平台等各类车载充电场景。
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