PCB电路板散热技巧

电子设备工作时产生的热量,使设备内部温度迅速上升,若不及时将该热量散发,设备会持续升温,则可能造成以下影响:
1.对PCB及电子元件等结构可靠性的影响:PCB处于高温中,热胀冷缩,造成焊盘变脆、板材变形、铜皮膨胀等严重影响PCB可靠性的问题。
2.对集成电路的影响:对于晶体管电路而言,温度上升会导致PN结少子浓度急剧增高,导致电流放大系数增大,烧毁电路。对于MOS工艺的电路,同样,温度上升会导致电流加大,形成正反馈,致使温度越来越高,直到烧毁。
一、印制电路板分类
1.单面板
单面板(Single-SidedBoards)在最基本的PCB上,零件集中在其中一面,导线则集中在另一面上(有贴片元件时和导线为同一面,插件器件在另一面)。
2.双面板
双面板(Double-SidedBoards)这种电路板的两面都有布线,不过要用上两面的导线,必须要在两面间有适当的电路连接才行。
3.多层板
多层板(Multi-LayerBoards)为了增加可以布线的面积,多层板用上了更多单或双面的布线板。
二、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。 
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.印制板的结构
(1)印制板的尺寸;
(2)印制板的材料。 
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。 
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; 
5.热传导
(1)安装散热器;
(2)其他安装结构件的传导。 
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。 
三、热设计原则
1.选材
(1)印制电路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电路板上也发出一部分热量,影响工作温度,选择材料和印制电路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)采用多层电路板结构有助于PCB热设计。
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箔散发掉。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.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)使传热通路尽可能短;
(5)使传热横截面尽可能大;
(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,并保证散热通道通畅;
(13)(小信号放大器外围器件)尽量采用温漂小的器件;
(14)尽可能地利用金属机箱或底盘散热。
4.布线时的要求
(1)板材选择(合理设计印制板结构);
(2)布线规则;
(3)根据器件电流密度规划最小通道宽度;特别注意接合点处通道布线;
(4)大电流线条尽量表面化;在不能满足要求的条件下,可考虑采用汇流排;
(5)要尽量降低接触面的热阻。为此应加大热传导面积;接触平面应平整、光滑,必要时可涂
覆导热硅脂;
(6)热应力点考虑应力平衡措施并加粗线条;
(7)散热铜皮需采用消热应力的开窗法,利用散热阻焊适当开窗;
(8)尽可能采用表面大面积铜箔;
(9)对印制板上的接地安装孔采用较大焊盘,以充分利用安装螺栓和印制板表面的铜箔进行散热;
(10)尽可能多安放金属化过孔,且孔径、盘面尽量大,依靠过孔帮助散热;
(11)器件散热补充手段;
(12)采用表面大面积铜箔可保证的情况下,出于经济性考虑可不采用附加散热器的方法;
(13)根据器件功耗、环境温度及允许最大结温来计算合适的表面散热铜箔面积。
四、热仿真(热分析)
热分析可协助设计人员确定PCB上部件的电气性能,帮助设计人员确定元器件或PCB是否会因为高温而烧坏。简单的热分析只是计算PCB的平均温度,复杂的则要对含多个PCB和上千个元器件的电子设备建立瞬态模型。
无论分析人员在对电子设备、PCB以及电子元件建立热模型时多么小心翼翼,热分析的准确程度最终还要取决于PCB设计人员所提供的元件功耗的准确性。在许多应用中重量和物理尺寸非常重要,如果元件的实际功耗很小,可能会导致设计的安全系数过高,从而使PCB的设计采用与实际不符或过于保守的元件功耗值作为根据进行热分析,与之相反(同时也更为严重)的是热安全系数设计过低,也即元件实际运行时的温度比分析人员预测的要高,此类问题一般要通过加装散热装置或风扇对PCB进行冷却来解决。这些外接附件增加了成本,而且延长了制造时间,在设计中加入风扇还会给可靠性带来一层不稳定因素,因此PCB现在主要采用主动式而不是被动式冷却方式(如自然对流、传导及辐射散热),以使元件在较低的温度范围内工作。 
热设计不良最终将使得成本上升而且还会降低可靠性,这在所有PCB设计中都可能发生,花费一些功夫准确确定元件功耗,再进行PCB热分析,这样有助于生产出小巧且功能性强的产品。应使用准确的热模型和元件功耗,以免降低PCB设计效率。
1.元件功耗计算
准确确定PCB元件的功耗是一个不断重复迭代的过程,PCB设计人员需要知道元件温度以确定出损耗功率,热分析人员则需要知道功率损耗以便输入到热模型中。设计人员先猜测一个元件工作环境温度或从初步热分析中得出估计值,并将元件功耗输入到细化的热模型中,计算出PCB和相关元件结点(或热点)的温度,第二步使用新温度重新计算元件功耗,算出的功耗再作为下一步热分析过程的输入。在理想的情况下,该过程一直进行下去直到其数值不再改变为止。
然而PCB设计人员通常面临需要快速完成任务的压力,他们没有足够的时间进行耗时重复的元器件电气及热性能确定工作。一个简化的方法是估算PCB的总功耗,将其作为一个作用于整个PCB表面的均匀热流通量。热分析可预测出平均环境温度,使设计人员用于计算元器件的功耗,通过进一步重复计算元件温度知道是否还需要做其他工作。
一般电子元器件制造商都提供有元器件规格,包括正常工作的最高温度。元件性能通常会受环境温度或元件内部温度的影响,消费类电子产品常采用塑封元件,其工作最高温度是85℃;而军用产品常使用陶瓷件,工作最高温度为125℃,额定最高温度通常是105℃。PCB设计人员可利用器件制造商提供的“温度/功率”曲线确定出某个温度下元件的功耗。
计算元件温度最准确的方法是做瞬态热分析,但是确定元件的瞬时功耗十分困难。
一个比较好的折衷方法是在稳态条件下分别进行额定和最差状况分析。
PCB受到各种类型热量的影响,可以应用的典型热边界条件包括:
前后表面发出的自然或强制对流;
前后表面发出的热辐射;
从PCB边缘到设备外壳的传导;
通过刚性或挠性连接器到其他PCB的传导;
从PCB到支架(螺栓或粘合固定)的传导;
2个PCB夹层之间散热器的传导。
目前有很多种形式的热模拟工具,基本热模型及分析工具包括分析任意结构的通用工具、用于系统流程/传热分析的计算流体动力学(CFD)工具,以及用于详细PCB和元件建模的PCB应用工具。
2.基本过程
在不影响并有助于提高系统电性能指标的前提下,依据提供的成熟经验,加速PCB热设计。
在系统及热分析预估及器件级热设计的基础上,通过板级热仿真预估热设计结果,寻找设计缺陷,并提供系统级解决方案或变更器件级解决方案。
通过热性能测量对热设计的效果进行检验,对方案的适用性和有效性进行评价;
通过预估-设计-测量-反馈循环不断的实践流程,修正并积累热仿真模型,加快热仿真速度,提高热仿真精度;补充PCB热设计经验。
3.板级热仿真
板级热仿真软件可以在三维结构模型中模拟PCB的热辐射、热传导、热对流、流体温度、流体压力、流体速度和运动矢量,也可以模拟强迫散热、真空状态或自然散热等。目前可做板级热分析比较典型的软件有Flotherm,Betasoft等等。
五、电路板散热方式
1.高发热器件加散热器、导热板。当PCB中有少数器件发热量较大时(少于3个)时,可在发热器件上加散热器或导热管,当温度还不能降下来时,可采用带风扇的散热器,以增强散热效果。当发热器件量较多时(多于3个),可采用大的散热罩(板),它是按PCB板上发热器件的位置和高低而定制的专用散热器或是在一个大的平板散热器上抠出不同的元件高低位置。将散热罩整体扣在元件面上,与每个元件接触而散热。但由于元器件装焊时高低一致性差,散热效果并不好。通常在元器件面上加柔软的热相变导热垫来改善散热效果。
2.通过PCB板本身散热。目前广泛应用的PCB板材是覆铜/环氧玻璃布基材或酚醛树脂玻璃布基材,还有少量使用的纸基覆铜板材。这些基材虽然具有优良的电气性能和加工性能,但散热性差,作为高发热元件的散热途径,几乎不能指望由PCB本身树脂传导热量,而是从元件的表面向周围空气中散热。但随着电子产品已进入到部件小型化、高密度安装、高发热化组装时代,若只靠表面积十分小的元件表面来散热是非常不够的。同时由于QFP、BGA等表面安装元件的大量使用,元器件产生的热量大量地传给PCB板,因此,解决散热的最好方法是提高与发热元件直接接触的PCB自身的散热能力,通过PCB板传导出去或散发出去。
3.采用合理的走线设计实现散热。由于板材中的树脂导热性差,而铜箔线路和孔是热的良导体,因此提高铜箔剩余率和增加导热孔是散热的主要手段。评价PCB的散热能力,就需要对由导热系数不同的各种材料构成的复合材料一一PCB用绝缘基板的等效导热系数进行计算。
4.对于采用自由对流空气冷却的设备,最好是将集成电路(或其他器件)按纵长方式排列,或按横长方式排列。
5.同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列,发热量小或耐热性差的器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等)放在冷却气流的最上流(入口处),发热量大或耐热性好的器件(如功率晶体管、大规模集成电路等)放在冷却气流最下游。
6.在水平方向上,大功率器件尽量靠近印制板边沿布置,以便缩短传热路径;在垂直方向上,大功率器件尽量靠近印制板上方布置,以便减少这些器件工作时对其他器件温度的影响。
7.对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域(如设备的底部),千万不要将它放在发热器件的正上方,多个器件最好是在水平面上交错布局。
8.设备内印制板的散热主要依靠空气流动,所以在设计时要研究空气流动路径,合理配置器件或印制电路板。空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动,所以在印制电路板上配置器件时,要避免在某个区域留有较大的空域。整机中多块印制电路板的配置也应注意同样的问题。
9.避免PCB上热点的集中,尽可能地将功率均匀地分布在PCB板上,保持PCB表面温度性能的均匀和一致。往往设计过程中要达到严格的均匀分布是较为困难的,但一定要避免功率密度太高的区域,以免出现过热点影响整个电路的正常工作。如果有条件的话,进行印制电路的热效能分析是很有必要的,如现在一些专业PCB设计软件中增加的热效能指标分析软件模块,就可以帮助设计人员优化电路设计。
10.将功耗最高和发热最大的器件布置在散热最佳位置附近。不要将发热较高的器件放置在印制板的角落和四周边缘,除非在它的附近安排有散热装置。在设计功率电阻时尽可能选择大一些的器件,且在调整印制板布局时使之有足够的散热空间。
11.高热耗散器件在与基板连接时应尽能减少它们之间的热阻。为了更好地满足热特性要求,在芯片底面可使用一些热导材料(如涂抹一层导热硅胶),并保持一定的接触区域供器件散热。
12.器件与基板的连接:
(1)尽量缩短器件引线长度;
(2)选择高功耗器件时,应考虑引线材料的导热性,如果可能的话,尽量选择引线横段面最大;
(3)选择管脚数较多的器件。
13.器件的封装选取:
(1)在考虑热设计时应注意器件的封装说明和它的热传导率;
(2)应考虑在基板与器件封装之间提供一个良好的热传导路径;
(3)在热传导路径上应避免有空气隔断,如果有这种情况可采用导热材料进行填充。

作者:南峰说

HWRD

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