電子設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的熱量,使設(shè)備內(nèi)部溫度迅速上升,若不及時(shí)將該熱量散發(fā),設(shè)備會(huì)持續(xù)升溫,器件就會(huì)因過(guò)熱效,電子設(shè)備的可靠性將下降。因此,對(duì)電路板進(jìn)行散熱處理十分重要。
一、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。
印制板中溫升的2種現(xiàn)象:
(1)局部溫升或大面積溫升;
(2)短時(shí)溫升或長(zhǎng)時(shí)間溫升。
在分析PCB熱功耗時(shí),一般從以下幾個(gè)方面來(lái)分析。
1.電氣功耗
(1)分析單位面積上的功耗;
(2)分析PCB電路板上功耗的分布。
2.印制板的結(jié)構(gòu)
(1)印制板的尺寸;
(2)印制板的材料。
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。
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[敏感詞]溫度;
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)。
6.熱對(duì)流
(1)自然對(duì)流;
(2)強(qiáng)迫冷卻對(duì)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(gè)產(chǎn)品和系統(tǒng)中這些因素是互相關(guān)聯(lián)和依賴(lài)的,大多數(shù)因素應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)分析,只有針對(duì)某一具體實(shí)際情況才能比較正確地計(jì)算或估算出溫升和功耗等參數(shù)。
二、電路板散熱方式
1、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(shí)(少于3個(gè))時(shí),可在發(fā)熱器件上加散熱器或?qū)峁?,?dāng)溫度還不能降下來(lái)時(shí),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(shí)(多于3個(gè)),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(zhuān)用散熱器或是在一個(gè)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(gè)元件接觸而散熱。但由于元器件裝焊時(shí)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(lái)改善散熱效果。
2、通過(guò)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(shù)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(shù)脂傳導(dǎo)熱量,而是從元件的表面向周?chē)諝庵猩帷5S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(shí)代,若只靠表面積十分小的元件表面來(lái)散熱是非常不夠的。同時(shí)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[敏感詞]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(guò)PCB板傳導(dǎo)出去或散發(fā)出去。
3、采用合理的走線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)散熱
由于板材中的樹(shù)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(píng)價(jià)PCB的散熱能力,就需要對(duì)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(jì)算。
4、對(duì)于采用自由對(duì)流空氣冷卻的設(shè)備,[敏感詞]是將集成電路(或其他器件)按縱長(zhǎng)方式排列,或按橫長(zhǎng)方式排列。
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(hào)晶體管、小規(guī)模集成電路、電解電容等)放在冷卻氣流的上流(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(shí)對(duì)其他器件溫度的影響。
7、對(duì)溫度比較敏感的器件[敏感詞]安置在溫度[敏感詞]的區(qū)域(如設(shè)備的底部),千萬(wàn)不要將它放在發(fā)熱器件的正上方,多個(gè)器件[敏感詞]是在水平面上交錯(cuò)布局。
8、設(shè)備內(nèi)印制板的散熱主要依靠空氣流動(dòng),所以在設(shè)計(jì)時(shí)要研究空氣流動(dòng)路徑,合理配置器件或印制電路板??諝饬鲃?dòng)時(shí)總是趨向于阻力小的地方流動(dòng),所以在印制電路板上配置器件時(shí),要避免在某個(gè)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(wèn)題。
9、避免PCB上熱點(diǎn)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(jì)過(guò)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(guò)熱點(diǎn)影響整個(gè)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(zhuān)業(yè)PCB設(shè)計(jì)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(jì)人員優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。
10、將功耗[敏感詞]和發(fā)熱[敏感詞]的器件布置在散熱[敏感詞]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(jì)功率電阻時(shí)盡可能選擇大一些的器件,且在調(diào)整印制板布局時(shí)使之有足夠的散熱空間。
11、高熱耗散器件在與基板連接時(shí)應(yīng)盡能減少它們之間的熱阻。為了更好地滿足熱特性要求,在芯片底面可使用一些熱導(dǎo)材料(如涂抹一層導(dǎo)熱硅膠),并保持一定的接觸區(qū)域供器件散熱。
12、器件與基板的連接:
(1) 盡量縮短器件引線長(zhǎng)度;
(2)選擇高功耗器件時(shí),應(yīng)考慮引線材料的導(dǎo)熱性,如果可能的話,盡量選擇引線橫段面[敏感詞];
(3)選擇管腳數(shù)較多的器件。
13、器件的封裝選?。?br/>
(1)在考慮熱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意器件的封裝說(shuō)明和它的熱傳導(dǎo)率;
(2)應(yīng)考慮在基板與器件封裝之間提供一個(gè)良好的熱傳導(dǎo)路徑;
(3)在熱傳導(dǎo)路徑上應(yīng)避免有空氣隔斷,如果有這種情況可采用導(dǎo)熱材料進(jìn)行填充。