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PCB電路板散熱設計技巧
- 2019-05-23 -

一、熱設計的重要性

電子設備在工作期間所消耗的電能,比如射頻功放,FPGA芯片,電源類產品,除了有用功外,大部分轉化成熱量散發。電子設備產生的熱量,使內部溫度迅速上升,如果不及時將該熱量散發,設備會繼續升溫,器件就會因過熱失效,電子設備的可靠性將下降。SMT使電子設備的安裝密度增大,有效散熱面積減小,設備溫升嚴重地影響可靠性,因此,對熱設計的研究顯得十分重要。

對于PCB電路板的散熱是一個非常重要的環節,那么PCB電路板散熱技巧是怎樣的,下面我們一起來討論下。

對于電子設備來說,工作時都會產生一定的熱量,從而使設備內部溫度迅速上升,如果不及時將該熱量散發出去,設備就會持續的升溫,器件就會因過熱而失效,電子設備的可靠性能就會下降。因此,對電路板進行很好的散熱處理是非常重要的。

二、印制電路板溫升因素分析

引起印制板溫升的直接原因是由于電路功耗器件的存在,電子器件均不同程度地存在功耗,發熱強度隨功耗的大小變化。

印制板中溫升的 2 種現象:

(1) 局部溫升或大面積溫升;

(2) 短時溫升或長時間溫升。 在分析 PCB 熱功耗時,一般從以下幾個方面來分析。

2.1 電氣功耗

(1)分析單位面積上的功耗;

(2)分析 PCB 板上功耗的分布。

2.2 印制板的結構

(1)印制板的尺寸;

(2)印制板的材料。

2.3 印制板的安裝方式

(1)安裝方式(如垂直安裝,水平安裝);

(2)密封情況和離機殼的距離。

2.4 熱輻射

(1)印制板表面的輻射系數;

(2)印制板與相鄰表面之間的溫差和他們的絕dui溫度。

2.5 熱傳導

(1)安裝散熱器;    

(2)其他安裝結構件的傳導。    

2.6 熱對流

(1)自然對流;    

(2)強迫冷卻對流。    

從 PCB上述各因素的分析是解決印制板的溫升的有效途徑,往往在一個產品和系統中這些因素是互相關聯和依賴的,大多數因素應根據實際情況來分析,只有針對某一具體實際情況才能比較正確地計算或估算出溫升和功耗等參數。    

三,PCB熱設計的一些方法    

1 通過PCB板本身散熱    

目前廣泛應用的PCB板材是覆銅/環氧玻璃布基材或酚醛樹脂玻璃布基材,還有少量使用的紙基覆銅板材。這些基材雖然具有優良的電氣性能和加工性能,但散熱性差,作為高發熱元件的散熱途徑,幾乎不能指望由PCB本身樹脂傳導熱量,而是從元件的表面向周圍空氣中散熱。但隨著電子產品已進入到部件小型化、高密度安裝、高發熱化組裝時代,若只靠表面積十分小的元件表面來散熱是非常不夠的。同時由于QFP、BGA等表面安裝元件的大量使用,元器件產生的熱量大量地傳給PCB板,因此,解決散熱的zui好方法是提高與發熱元件直接接觸的PCB自身的散熱能力,通過PCB板傳導出去或散發出去。    

2 高發熱器件加散熱器、導熱板    

當PCB中有少數器件發熱量較大時(少于3個)時,可在發熱器件上加散熱器或導熱管,當溫度還不能降下來時,可采用帶風扇的散熱器,以增強散熱效果。當發熱器件量較多時(多于3個),可采用大的散熱罩(板),它是按PCB板上發熱器件的位置和高低而定制的專用散熱器或是在一個大的平板散熱器上摳出不同的元件高低位置。將散熱罩整體扣在元件面上,與每個元件接觸而散熱。但由于元器件裝焊時高低一致性差,散熱效果并不好。通常在元器件面上加柔軟的熱相變導熱墊來改善散熱效果。     

3 對于采用自由對流空氣冷卻的設備,zui好是將集成電路(或其他器件)按縱長方式排列,或按橫長方式排列。    

4 采用合理的走線設計實現散熱    

由于板材中的樹脂導熱性差,而銅箔線路和孔是熱的良導體,因此提高銅箔剩余率和增加導熱孔是散熱的主要手段。    

評價PCB的散熱能力,就需要對由導熱系數不同的各種材料構成的復合材料一一PCB用絕緣基板的等效導熱系數(九eq)進行計算。    

5 同一塊印制板上的器件應盡可能按其發熱量大小及散熱程度分區排列,發熱量小或耐熱性差的器件(如小信號晶體管、小規模集成電路、電解電容等)放在冷卻氣流的zui上流(入口處),發熱量大或耐熱性好的器件(如功率晶體管、大規模集成電路等)放在冷卻氣流zui下游。    

6 在水平方向上,大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置,以便縮短傳熱路徑;在垂直方向上,大功率器件盡量靠近印制板上方布置,以便減少這些器件工作時對其他器件溫度的影響。    

7 設備內印制板的散熱主要依靠空氣流動,所以在設計時要研究空氣流動路徑,合理配置器件或印制電路板。空氣流動時總是趨向于阻力小的地方流動,所以在印制電路板上配置器件時,要避免在某個區域留有較大的空域。整機中多塊印制電路板的配置也應注意同樣的問題。     

8 對溫度比較敏感的器件zui好安置在溫度zui低的區域(如設備的底部),千萬不要將它放在發熱器件的正上方,多個器件zui好是在水平面上交錯布局。    

9 將功耗zui高和發熱zui大的器件布置在散熱zui佳位置附近。不要將發熱較高的器件放置在印制板的角落和四周邊緣,除非在它的附近安排有散熱裝置。在設計功率電阻時盡可能選擇大一些的器件,且在調整印制板布局時使之有足夠的散熱空間。    

10 射頻功放或者LED PCB采用金屬底座基板。    

11 避免PCB上熱點的集中,盡可能地將功率均勻地分布在PCB板上,保持PCB表面溫度性能的均勻和一致。往往設計過程中要達到嚴格的均勻分布是較為困難的,但一定要避免功率密度太高的區域,以免出現過熱點影響整個電路的正常工作。如果有條件的話,進行印制電路的熱效能分析是很有必要的,如現在一些專業PCB設計軟件中增加的熱效能指標分析軟件模塊,就可以幫助設計人員優化電路設計。    

四、總結    

3.1 選材    

(1)印制板的導線由于通過電流而引起的溫升加上規定的環境溫度應不超過 125 ℃(常用的典型值。根據選用的板材可能不同)。由于元件安裝在印制板上也發出一部分熱量,影響工作溫度,選擇材料和印制板設計時應考慮到這些因素,熱點溫度應不超過 125 ℃。盡可能選擇更厚一點的覆銅箔。    

 ( 2 )特殊情況下可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的板材。    

(3) 采用多層板結構有助于 PCB 熱設計。    

3.2保證散熱通道暢通    

(1)充分利用元器件排布、銅皮、開窗及散熱孔等技術建立合理有效的低熱阻通道,保證熱量順利導出 PCB。    

(2)散熱通孔的設置 設計一些散熱通孔和盲孔,可以有效地提高散熱面積和減少熱阻,提高電路板的功率密度。如在 LCCC 器件的焊盤上設立導通孔。在電路生產過程中焊錫將其填充,使導熱能力提高,電路工作時產生的熱量能通過通孔或盲孔迅速地傳至金屬散熱層或背面設置的銅泊散發掉。在一些特定情況下,專門設計和采用了有散熱層的電路板,散熱材料一般為銅/鉬等材料,如一些模塊電源上采用的印制板。    

(3)導熱材料的使用 為了減少熱傳導過程的熱阻,在高功耗器件與基材的接觸面上使用導熱材料,提高熱傳導效率。    

(4)工藝方法 對一些雙面裝有器件的區域容易引起局部高溫,為了改善散熱條件,可以在焊膏中摻入少量的細小銅料,再流焊后在器件下方焊點就有一定的高度。使器件與印制板間的間隙增加,增加了對流散熱。    

3.3元器件的排布要求    

(1)對 PCB進行軟件熱分析,對內部zui高溫升進行設計控制;    

(2)可以考慮把發熱高、輻射大的元件專門設計安裝在一個印制板上;    

(3)板面熱容量均勻分布,注意不要把大功耗器件集中布放,如無法避免,則要把矮的元件放在氣流的上游,并保證足夠的冷卻風量流經熱耗集中區;    

(4)使傳熱通路盡可能的短;    

(5)使傳熱橫截面盡可能的大;    

(6)元器件布局應考慮到對周圍零件熱輻射的影響。對熱敏感的部件、元器件(含半導體器件)應遠離熱源或將其隔離;    

(7)(液態介質)電容器的zui好遠離熱源;    

(8)注意使強迫通風與自然通風方向一致;    

(9)附加子板、器件風道與通風方向一致;    

(10)盡可能地使進氣與排氣有足夠的距離;    

(11)發熱器件應盡可能地置于產品的上方,條件允許時應處于氣流通道上;    

(12)熱量較大或電流較大的元器件不要放置在印制板的角落和四周邊緣,只要有可能應安裝于散熱器上,并遠離其他器件,并保證散熱通道通暢;    

(13)(小信號放大器外圍器件)盡量采用溫漂小的器件;    

(14)盡可能地利用金屬機箱或底盤散熱。    

3.4布線時的要求    

(1)板材選擇(合理設計印制板結構);    

(2)布線規則;    

(3)根據器件電流密度規劃zui小通道寬度;特別注意接合點處通道布線;    

(4)大電流線條盡量表面化;在不能滿足要求的條件下,可考慮采用匯流排;    

(5)要盡量降低接觸面的熱阻。為此應加大熱傳導面積;接觸平面應平整光滑,必要時可涂覆導熱硅脂;    

(6)熱應力點考慮應力平衡措施并加粗線條;    

(7)散熱銅皮需采用消熱應力的開窗法,利用散熱阻焊適當開窗;    

(8)視可能采用表面大面積銅箔;    

(9)對印制板上的接地安裝孔采用較大焊盤,以充分利用安裝螺栓和印制板表面的銅箔進行散熱;    

(10)盡可能多安放金屬化過孔, 且孔徑、盤面盡量大,依靠過孔幫助散熱;    

(11)器件散熱補充手段;    

(12)采用表面大面積銅箔可保證的情況下,出于經濟性考慮可不采用附加散熱器的方法;    

(13)根據器件功耗、環境溫度及允許zui大結溫來計算合適的表面散熱銅箔面積(保證原則tj≤(0.5~0.8)tjmax)。

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