PCB電路板散熱設(shè)計技巧



PCB電路板散熱設(shè)計技巧

一、熱設(shè)計的重要性

    電子設(shè)備在工作期間所消耗的電能，比如射頻功放，F(xiàn)PGA芯片，電源類產(chǎn)品，除了有用功外，大部分轉(zhuǎn)化成熱量散發(fā)。電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量，使內(nèi)部溫度迅速上升，如果不及時將該熱量散發(fā)，設(shè)備會繼續(xù)升溫，器件就會因過熱失效，電子設(shè)備的可靠性將下降。SMT使電子設(shè)備的安裝密度增大，有效散熱面積減小，設(shè)備溫升嚴(yán)重地影響可靠性，因此，對熱設(shè)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(huán)節(jié)，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(shè)備來說，工作時都會產(chǎn)生一定的熱量，從而使設(shè)備內(nèi)部溫度迅速上升，如果不及時將該熱量散發(fā)出去，設(shè)備就會持續(xù)的升溫，器件就會因過熱而失效，電子設(shè)備的可靠性能就會下降。因此，對電路板進(jìn)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(fā)熱強(qiáng)度隨功耗的大小變化。印制電路板

印制板中溫升的 2 種現(xiàn)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(jié)構(gòu)

   （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(jī)殼的距離。

2.4 熱輻射

   （1）印制板表面的輻射系數(shù)；

   （2）印制板與相鄰表面之間的溫差和他們的絕對溫度

2.5 熱傳導(dǎo)

   （1）安裝散熱器；

   （2）其他安裝結(jié)構(gòu)件的傳導(dǎo)。

2.6 熱對流

   （1）自然對流；

   （2）強(qiáng)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(chǎn)品和系統(tǒng)中這些因素是互相關(guān)聯(lián)和依賴的，大多數(shù)因素應(yīng)根據(jù)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(shù)。

三，PCB熱設(shè)計的一些方法

1 通過PCB板本身散熱

    目前廣泛應(yīng)用的PCB板材是覆銅／環(huán)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(yōu)良的電氣性能和加工性能，但散熱性差，作為高發(fā)熱元件的散熱途徑，幾乎不能指望由PCB本身樹脂傳導(dǎo)熱量，而是從元件的表面向周圍空氣中散熱。但隨著電子產(chǎn)品已進(jìn)入到部件小型化、高密度安裝、高發(fā)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(chǎn)生的熱量大量地傳給PCB板，因此，解決散熱的最好方法是提高與發(fā)熱元件直接接觸的PCB自身的散熱能力，通過PCB板傳導(dǎo)出去或散發(fā)出去。

2 高發(fā)熱器件加散熱器、導(dǎo)熱板

   當(dāng)PCB中有少數(shù)器件發(fā)熱量較大時(少于3個)時，可在發(fā)熱器件上加散熱器或?qū)峁?，?dāng)溫度還不能降下來時，可采用帶風(fēng)扇的散熱器，以增強(qiáng)散熱效果。當(dāng)發(fā)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(fā)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(dǎo)熱墊來改善散熱效果?！?/span>

3對于采用自由對流空氣冷卻的設(shè)備，最好是將集成電路（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(shè)計實現(xiàn)散熱

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

評價PCB的散熱能力，就需要對由導(dǎo)熱系數(shù)不同的各種材料構(gòu)成的復(fù)合材料一一PCB用絕緣基板的等效導(dǎo)熱系數(shù)(九eq)進(jìn)行計算。雙面電路板

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

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(shè)備內(nèi)印制板的散熱主要依靠空氣流動，所以在設(shè)計時要研究空氣流動路徑，合理配置器件或印制電路板?？諝饬鲃訒r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(qū)域留有較大的空域。整機(jī)中多塊印制電路板的配置也應(yīng)注意同樣的問題。　

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

9 將功耗最高和發(fā)熱最大的器件布置在散熱最佳位置附近。不要將發(fā)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(shè)計功率電阻時盡可能選擇大一些的器件，且在調(diào)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(shè)計過程中要達(dá)到嚴(yán)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(qū)域，以免出現(xiàn)過熱點影響整個電路的正常工作。如果有條件的話，進(jìn)行印制電路的熱效能分析是很有必要的，如現(xiàn)在一些專業(yè)PCB設(shè)計軟件中增加的熱效能指標(biāo)分析軟件模塊，就可以幫助設(shè)計人員優(yōu)化電路設(shè)計。