PCB的热设计及局部增强散热应用研究.pdf

PCB 的热设计 1、热设计的重要性 电子设备在工作期间所消耗的电能，除了有用功外，大部分转化成热量散发。 电子设备产生的热量，使内部温度迅速上升，如果不及时将该热量散发，设备会 继续升温，器件就会因过热失效，电子设备的可靠性将下降。 SMT使电子设备的安装密度增大，有效散热面积减小，设备温升严重地影响 可靠性，因此，对热设计的研究显得十分重要。 2、印制电路板温升因素分析 引起印制板温升的直接原因是由于电路功耗器件的存在，电子器件均不同程 度地存在功耗，发热强度随功耗的大小变化。 印制板中温升的2种现象： （1）局部温升或大面积温升； （2）短时温升或长时间温升。 在分析PCB热功耗时，一般从以下几个方面来分析。 2.1电气功耗 （1）分析单位面积上的功耗； （2）分析PCB板上功耗的分布。 2.2印制板的结构 （1）印制板的尺寸； （2）印制板的材料。 2.3印制板的安装方式 （1）安装方式（如垂直安装，水平安装）； （2）密封情况和离机壳的距离。 2.4热辐射 （1）印制板表面的辐射系数； （2）印制板与相邻表面之间的温差和他们的绝对温度； 2.5热传导 （1）安装散热器； （2）其他安装结构件的传导。 2.6热对流 （1）自然对流； （2）强迫冷却对流。 从PCB上述各因素的分析是解决印制板的温升的有效途径，往往在一个产品 和系统中这些因素是互相关联和依赖的，大多数因素应根据实际情况来分析，只 有针对某一具体实际情况才能比较正确地计算或估算出温升和功耗等参数。 3、热设计原则 3.1选材 （1）印制板的导线由于通过电流而引起的温升加上规定的环境温度应不超过 125 ℃（常用的典型值。根据选用的板材可能不同）。由于元件安装在印制板上 也发出一部分热量，影响工作温度，选择材料和印制板设计时应考虑到这些因素， 热点温度应不超过125 ℃。尽可能选择更厚一点的覆铜箔。 （2）特殊情况下可选择铝基、陶瓷基等热阻小的板材。 （3）采用多层板结构有助于PCB热设计。 3.2保证散热通道畅通 （1）充分利用元器件排布、铜皮、开窗及散热孔等技术建立合理有效的低热 阻通道,保证热量顺利导出PCB。 （2）散热通孔的设置 设计一些散热通孔和盲孔，可以有效地提高散热面积和减少热阻，提高电路板的 功率密度。如在LCCC器件的焊盘上设立导通孔。在电路生产过程中焊锡将其填 充，使导热能力提高，电路工作时产生的热量能通过通孔或盲孔迅速地传至金属 散热层或背面设置的铜泊散发掉。在一些特定情况下，专门设计和采用了有散热 层的电路板，散热材料一般为铜/钼等材料，如一些模块电源上采用的印制板。 （3）导热材料的使用 为了减少热传导过程的热阻，在高功耗器件与基材的接触面上使用导热材料，提 高热传导效率。 （4）工艺方法 对一些双面装有器件的区域容易引起局部高温，为了改善散热条件，可以在焊膏 中掺入少量的细小铜料，再流焊后在器件下方焊点就有一定的高度。使器件与印 制板间的间隙增加，增加了对流散热。 3.3元器件的排布要求 （1）对PCB进行软件热分析，对内部最高温升进行设计控制； （2）可以考虑把发热高、辐射大的元件专门设计安装在一个印制板上； （3）板面热容量均匀分布，注意不要把大功耗器件集中布放，如无法避免， 则要把矮的元件放在气流的上游，并保证足够的冷却风量流经热耗集中区； （4）使传热通路尽可能的短； （5）使传热横截面尽可能的大； （6）元器件布局应考虑到对周围零件热辐射的影响。对热敏感的部件、元器 件（含半导体器件）应远离热源或将其隔离； （7）（液态介质）电容器的最好远离热源； （8）注意使强迫通风与自然通风方向一致； （9）附加子板、器件风道与通风方向一致； （10）尽可能地使进气与排气有足够的距离； （11）发热器件应尽可能地置于产品的上方，条件允许时应处于气流通道上； （12）热量较大或电流较大的元器件不要放置在印制板的角落和四周边缘， 只要有可能应安装于散热器上，并远离其他器件，并保证散热通