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PCB電(diàn)路(lù)闆散熱技(jì)巧

2023/12/15

電(diàn)子設備工(gōng)作時産生(shēng)的熱量,使設備内部溫度迅速上(shàng)升,若不及時将該熱量散發,設備會(huì)持續升溫,器(qì)件(jiàn)就(jiù)會(huì)因過熱失效,電(diàn)子設備的可靠性将下(xià)降。因此,對電(diàn)路(lù)闆進行散熱處理十分重要。
一(yī)、印制電(diàn)路(lù)闆溫升因素分析
引起印制闆溫升的直接原因是由于電(diàn)路(lù)功耗器(qì)件(jiàn)的存在,電(diàn)子器(qì)件(jiàn)均不同程度地存在功耗,發熱強度随功耗的大小(xiǎo)變化。
印制闆中溫升的2種現象:
(1)局部溫升或大面積溫升;
(2)短時溫升或長(cháng)時間溫升。
在分析PCB熱功耗時,一(yī)般從(cóng)以下(xià)幾個(gè)方面來分析。
1.電(diàn)氣功耗
(1)分析單位面積上(shàng)的功耗;
(2)分析PCB電(diàn)路(lù)闆上(shàng)功耗的分布。
2.印制闆的結構
(1)印制闆的尺寸;
(2)印制闆的材料。
3.印制闆的安裝方式
(1)安裝方式(如垂直安裝,水(shuǐ)平安裝);
(2)密封情況和離機(jī)殼的距離。
4.熱輻射
(1)印制闆表面的輻射系數;
(2)印制闆與相(xiàng)鄰表面之間的溫差和他們的絕對溫度;
5.熱傳導
(1)安裝散熱器(qì);
(2)其他安裝結構件(jiàn)的傳導。
6.熱對流
(1)自(zì)然對流;
(2)強迫冷卻對流。
從(cóng)PCB上(shàng)述各因素的分析是解決印制闆的溫升的有效途徑,往往在一(yī)個(gè)産品和系統中這些因素是互相(xiàng)關聯和依賴的,大多(duō)數因素應根據實際情況來分析,隻有針對某一(yī)具體實際情況才能(néng)比較正确地計算(suàn)或估算(suàn)出溫升和功耗等參數。
二、電(diàn)路(lù)闆散熱方式
1、高(gāo)發熱器(qì)件(jiàn)加散熱器(qì)、導熱闆
當PCB中有少數器(qì)件(jiàn)發熱量較大時(少于3個(gè))時,可在發熱器(qì)件(jiàn)上(shàng)加散熱器(qì)或導熱管,當溫度還(hái)不能(néng)降下(xià)來時,可采用帶風扇的散熱器(qì),以增強散熱效果。當發熱器(qì)件(jiàn)量較多(duō)時(多(duō)于3個(gè)),可采用大的散熱罩(闆),它是按PCB闆上(shàng)發熱器(qì)件(jiàn)的位置和高(gāo)低(dī)而定制的專用散熱器(qì)或是在一(yī)個(gè)大的平闆散熱器(qì)上(shàng)摳出不同的元件(jiàn)高(gāo)低(dī)位置。将散熱罩整體扣在元件(jiàn)面上(shàng),與每個(gè)元件(jiàn)接觸而散熱。但由于元器(qì)件(jiàn)裝焊時高(gāo)低(dī)一(yī)緻性差,散熱效果并不好。通(tōng)常在元器(qì)件(jiàn)面上(shàng)加柔軟的熱相(xiàng)變導熱墊來改善散熱效果。
2、通(tōng)過PCB闆本身散熱
目前廣泛應用的PCB闆材是覆銅/環氧玻璃布基材或酚醛樹脂玻璃布基材,還(hái)有少量使用的紙(zhǐ)基覆銅闆材。這些基材雖然具有優良的電(diàn)氣性能(néng)和加工(gōng)性能(néng),但散熱性差,作為(wèi)高(gāo)發熱元件(jiàn)的散熱途徑,幾乎不能(néng)指望由PCB本身樹脂傳導熱量,而是從(cóng)元件(jiàn)的表面向周圍空氣中散熱。但随著(zhe)電(diàn)子産品已進入到(dào)部件(jiàn)小(xiǎo)型化、高(gāo)密度安裝、高(gāo)發熱化組裝時代,若隻靠表面積十分小(xiǎo)的元件(jiàn)表面來散熱是非常不夠的。同時由于QFP、BGA等表面安裝元件(jiàn)的大量使用,元器(qì)件(jiàn)産生(shēng)的熱量大量地傳給PCB闆,因此,解決散熱的最好方法是提高(gāo)與發熱元件(jiàn)直接接觸的PCB自(zì)身的散熱能(néng)力,通(tōng)過PCB闆傳導出去或散發出去。
3、采用合理的走線設計實現散熱
由于闆材中的樹脂導熱性差,而銅箔線路(lù)和孔是熱的良導體,因此提高(gāo)銅箔剩餘率和增加導熱孔是散熱的主要手段。
評價PCB的散熱能(néng)力,就(jiù)需要對由導熱系數不同的各種材料構成的複合材料一(yī)一(yī)PCB用絕緣基闆的等效導熱系數(九eq)進行計算(suàn)。
4.、對于采用自(zì)由對流空氣冷卻的設備,最好是将集成電(diàn)路(lù)(或其他器(qì)件(jiàn))按縱長(cháng)方式排列,或按橫長(cháng)方式排列。
5.、同一(yī)塊印制闆上(shàng)的器(qì)件(jiàn)應盡可能(néng)按其發熱量大小(xiǎo)及散熱程度分區排列,發熱量小(xiǎo)或耐熱性差的器(qì)件(jiàn)(如小(xiǎo)信号晶
體管、小(xiǎo)規模集成電(diàn)路(lù)、電(diàn)解電(diàn)容等)放(fàng)在冷卻氣流的最上(shàng)流(入口處),發熱量大或耐熱性好的器(qì)件(jiàn)(如功率晶體管、大規模集成電(diàn)路(lù)等)放(fàng)在冷卻氣流最下(xià)遊。
6.、在水(shuǐ)平方向上(shàng),大功率器(qì)件(jiàn)盡量靠近印制闆邊沿布置,以便縮短傳熱路(lù)徑;在垂直方向上(shàng),大功率器(qì)件(jiàn)盡量靠近印制闆上(shàng)方布置,以便減少這些器(qì)件(jiàn)工(gōng)作時對其他器(qì)件(jiàn)溫度的影響。
7、對溫度比較敏感的器(qì)件(jiàn)最好安置在溫度最低(dī)的區域(如設備的底部),千萬不要将它放(fàng)在發熱器(qì)件(jiàn)的正上(shàng)方,多(duō)
個(gè)器(qì)件(jiàn)最好是在水(shuǐ)平面上(shàng)交錯(cuò)布局。
8、設備内印制闆的散熱主要依靠空氣流動,所以在設計時要研究空氣流動路(lù)徑,合理配置器(qì)件(jiàn)或印制電(diàn)路(lù)闆。空氣
流動時總是趨向于阻力小(xiǎo)的地方流動,所以在印制電(diàn)路(lù)闆上(shàng)配置器(qì)件(jiàn)時,要避免在某個(gè)區域留有較大的空域。整機(jī)中多(duō)塊印制電(diàn)路(lù)闆的配置也應注意同樣的問題。
9.、避免PCB上(shàng)熱點的集中,盡可能(néng)地将功率均勻地分布在PCB闆上(shàng),保持PCB表面溫度性能(néng)的均勻和一(yī)緻。往往設計過程中要達到(dào)嚴格的均勻分布是較為(wèi)困難的,但一(yī)定要避免功率密度太高(gāo)的區域,以免出現過熱點影響整個(gè)電(diàn)路(lù)的正常工(gōng)作。如果有條件(jiàn)的話,進行印制電(diàn)路(lù)的熱效能(néng)分析是很有必要的,如現在一(yī)些專業(yè)PCB設計軟件(jiàn)中增加的熱效能(néng)指标分析軟件(jiàn)模塊,就(jiù)可以幫助設計人員(yuán)優化電(diàn)路(lù)設計。
10、将功耗最高(gāo)和發熱最大的器(qì)件(jiàn)布置在散熱最佳位置附近。不要将發熱較高(gāo)的器(qì)件(jiàn)放(fàng)置在印制闆的角落和四周邊緣,除非在它的附近安排有散熱裝置。在設計功率電(diàn)阻時盡可能(néng)選擇大一(yī)些的器(qì)件(jiàn),且在調整印制闆布局時使之有足夠的散熱空間。
11、高(gāo)熱耗散器(qì)件(jiàn)在與基闆連接時應盡能(néng)減少它們之間的熱阻。為(wèi)了更好地滿足熱特性要求,在芯片底面可使用一(yī)些熱導材料(如塗抹一(yī)層導熱矽膠),并保持一(yī)定的接觸區域供器(qì)件(jiàn)散熱。
12、器(qì)件(jiàn)與基闆的連接:
(1) 盡量縮短器(qì)件(jiàn)引線長(cháng)度;
(2)選擇高(gāo)功耗器(qì)件(jiàn)時,應考慮引線材料的導熱性,如果可能(néng)的話,盡量選擇引線橫段面最大;
(3)選擇管腳數較多(duō)的器(qì)件(jiàn)。
13、器(qì)件(jiàn)的封裝選取:
(1)在考慮熱設計時應注意器(qì)件(jiàn)的封裝說明和它的熱傳導率;
(2)應考慮在基闆與器(qì)件(jiàn)封裝之間提供一(yī)個(gè)良好的熱傳導路(lù)徑;
(3)在熱傳導路(lù)徑上(shàng)應避免有空氣隔斷,如果有這種情況可采用導熱材料進行填充。