如何正確為PCB電路板“散熱”

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絕對(duì)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)。
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))，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?。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(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(guò)PCB板傳導(dǎo)出去或散發(fā)出去。
3. 采用合理的走線(xiàn)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(xiàn)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，最好是將集成電路(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(shí)對(duì)其他器件溫度的影響。
7. 對(duì)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(wàn)不要將它放在發(fā)熱器件的正上方，多個(gè)器件最好是在水平面上交錯(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。空氣流動(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(huà)，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(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)盡可能減少它們之間的熱阻。為了更好地滿(mǎn)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(xiàn)長(zhǎng)度;
(2)選擇高功耗器件時(shí)，應(yīng)考慮引線(xiàn)材料的導(dǎo)熱性，盡量選擇引線(xiàn)橫段面最大的;
(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。
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