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    PCB的熱設計

    【2016-08-08】 瀏覽次數:1272
    1、熱設計的重要性
    電子設備在工作期間所消耗的電能,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。
     
    2、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對溫度
    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。
     
    3、熱設計原則
    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,對內部最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)電容器的最好遠離熱源;
    (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最小通道寬度;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、環境溫度及允許最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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