PCB的熱分析與熱

1、PCB的熱設(shè)計(jì)熱分析、 熱設(shè)計(jì)是提高印制板熱可靠性的重要措施?；跓嵩O(shè)計(jì)的基本知識(shí)，討論了 PCB設(shè)計(jì)中散熱方式的選擇、熱設(shè)計(jì)和熱分析的技術(shù)措施。1、熱設(shè)計(jì)的重要性電子設(shè)備在工作期間所消耗的電能，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(shí)將該熱量散發(fā)，設(shè)備會(huì)繼續(xù)升溫，器件就會(huì)因過熱失效，電子設(shè)備的可靠性將下降。SMT£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(duì)熱設(shè)計(jì)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(fā)熱強(qiáng)度隨功耗

2、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)溫升或長時(shí)間溫開。在分析PCB熱功耗時(shí)，一般從以下幾個(gè)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PCBfe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(duì)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(duì)流 （1）自然對(duì)流；（2）強(qiáng)迫冷卻對(duì)流。從PCB上述各因

3、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)和依賴的，大多數(shù)因素應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來分析，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)。3、熱設(shè)計(jì)原則3.1 選材 （ 1）印制板的導(dǎo)線由于通過電流而引起的溫升加上規(guī)定的環(huán)境溫度應(yīng)不超過125 （常用的典型值。根據(jù)選用的板材可能不同）。由于元件安裝在印制板上也發(fā)出一部分熱量，影響工作溫度，選擇材料和印制板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到這些因素，熱點(diǎn)溫度應(yīng)不超過125。盡可能選擇更厚一點(diǎn)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(jié)構(gòu)有助于PCBB設(shè)計(jì)。3.2保證散熱通道暢通（1

4、）充分利用元器件排布、銅皮、開窗及散熱孔等技術(shù)建立合理有效的低熱阻通道, 保證熱量順利導(dǎo)出PCB。 （ 2）散熱通孔的設(shè)置設(shè)計(jì)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LCCCS件的焊盤上設(shè)立導(dǎo)通孔。在電路生產(chǎn)過程中焊錫將其填充，使導(dǎo)熱能力提高，電路工作時(shí)產(chǎn)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(shè)置的銅泊散發(fā)掉。在一些特定情況下，專門設(shè)計(jì)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(dǎo)熱材料的使用為了減少熱傳導(dǎo)過程的熱阻，在高功耗器件與基材的接觸面上使用導(dǎo)熱材料，提高熱傳導(dǎo)效率。（4）工藝方法 對(duì)一些

5、雙面裝有器件的區(qū)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(xì)小銅料，再流焊后在器件下方焊點(diǎn)就有一定的高度。使器件與印制板間的間隙增加，增加了對(duì)流散熱。3.3 元器件的排布要求（1）對(duì)PCB1行軟件熱分析，對(duì)內(nèi)部最高溫開進(jìn)行設(shè)計(jì)控制；（2）可以考慮把發(fā)熱高、輻射大的元件專門設(shè)計(jì)安裝在一個(gè)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(fēng)量流經(jīng)熱耗集中區(qū)；（ 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(yīng)考慮到對(duì)周圍零件熱輻射的影響。對(duì)熱敏感的部件、元器件（含半導(dǎo)體器件

6、）應(yīng)遠(yuǎn)離熱源或?qū)⑵涓綦x；（7）（液態(tài)介質(zhì)） 電容器的最好遠(yuǎn)離熱源；（ 8） 注意使強(qiáng)迫通風(fēng)與自然通風(fēng)方向一致；（ 9）附加子板、器件風(fēng)道與通風(fēng)方向一致；（ 10）盡可能地使進(jìn)氣與排氣有足夠的距離；（ 11）發(fā)熱器件應(yīng)盡可能地置于產(chǎn)品的上方，條件允許時(shí)應(yīng)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(yīng)安裝于散熱器上，并遠(yuǎn)離其他器件，并保證散熱通道通暢；（13）（小信號(hào)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(jī)箱或底盤散熱。3.4 布線時(shí)的要求（1）板材選擇（合理設(shè)計(jì)印制板結(jié)構(gòu)）；（ 2）布線規(guī)則；（ 3）根據(jù)器件電流密度

7、規(guī)劃最小通道寬度；特別注意接合點(diǎn)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(yīng)加大熱傳導(dǎo)面積；接觸平面應(yīng)平整、光滑，必要時(shí)可涂覆導(dǎo)熱硅脂；（6）熱應(yīng)力點(diǎn)考慮應(yīng)力平衡措施并加粗線條；（ 7）散熱銅皮需采用消熱應(yīng)力的開窗法，利用散熱阻焊適當(dāng)開窗；（8）視可能采用表面大面積銅箔；（ 9）對(duì)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(jìn)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(bǔ)充手段；（12）采用表面大面積銅箔可保證的情況下，出于經(jīng)濟(jì)性考

8、慮可不采用附加散熱器的方法；（ 13）根據(jù)器件功耗、環(huán)境溫度及允許最大結(jié)溫來計(jì)算合適的表面散熱銅箔面積 （保證原則tj < （0.50.8 ） tjmax ）。4、熱仿真（熱分析）熱分析可協(xié)助設(shè)計(jì)人員確定PCB上部件的電氣性能，幫助設(shè)計(jì)人員確定元器件或PCB 是否會(huì)因?yàn)楦邷囟鵁龎摹：唵蔚臒岱治鲋皇怯?jì)算 PCB的平均溫度，復(fù)雜的則要對(duì)含多個(gè)PCBft上千個(gè)元器件的電子設(shè)備建立瞬態(tài) 模型。無論分析人員在對(duì)電子設(shè)備、PCB以及電子元件建立熱模型時(shí)多么小心翼 翼，熱分析的準(zhǔn)確程度最終還要取決于 PCBS計(jì)人員所提供的元件功耗的準(zhǔn)確 性。 在許多應(yīng)用中重量和物理尺寸非常重要，如果元件的實(shí)際功耗很小

9、，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)的安全系數(shù)過高，從而使PCB的設(shè)計(jì)采用與實(shí)際不符或過于保守的元件 功耗值作為根據(jù)進(jìn)行熱分析，與之相反 （ 同時(shí)也更為嚴(yán)重） 的是熱安全系數(shù)設(shè)計(jì)過低， 也即元件實(shí)際運(yùn)行時(shí)的溫度比分析人員預(yù)測的要高，此類問題一般要通過加裝散熱裝置或風(fēng)扇對(duì)PCB進(jìn)行冷卻來解決。這些外接附件增加了成本，而且延長了制造時(shí)間，在設(shè)計(jì)中加入風(fēng)扇還會(huì)給可靠性帶來一層不穩(wěn)定因素，因此PCB現(xiàn)在主要采用主動(dòng)式而不是被動(dòng)式冷卻方式（ 如自然對(duì)流、傳導(dǎo)及輻射散熱） ， 以使元件在較低的溫度范圍內(nèi)工作。熱設(shè)計(jì)不良最終將使得成本上升而且還會(huì)降低可靠性，這在所有PCBS計(jì)中都可能發(fā)生，花費(fèi)一些功夫準(zhǔn)確確定元件功耗， 再進(jìn)行

10、PCEB分析，這樣有助于生產(chǎn)出小巧且功能性強(qiáng)的產(chǎn)品。 應(yīng)使用準(zhǔn)確的熱 模型和元件功耗，以免降低PC瞅計(jì)效率。4.1元件功耗計(jì)算準(zhǔn)確確定PC機(jī)件的功耗是一個(gè)不斷重復(fù)迭代的過程，PCB殳計(jì)人員需要知道元件溫度以確定出損耗功率，熱分析人員則需要知道功率損耗以便輸入到熱模型中。設(shè)計(jì)人員先猜測一個(gè)元件工作環(huán)境溫度或從初步熱分析中得出估計(jì)值，并將元件功耗輸入到細(xì)化的熱模型中， 計(jì)算出PC的相關(guān)元件“結(jié)點(diǎn)”（ 或熱點(diǎn) ） 的溫度， 第二步使用新溫度重新計(jì)算元件功耗，算出的功耗再作為下一步熱分析過程的輸入。在理想的情況下，該過程一直進(jìn)行下去直到其數(shù)值不再改變?yōu)橹?。然而PCBS計(jì)人員通常面臨需要快速完成任務(wù)的壓

11、力，他們沒有足夠的 時(shí)間進(jìn)行耗時(shí)重復(fù)的元器件電氣及熱性能確定工作。一個(gè)簡化的方法是估算PCB的總功耗，將其作為一個(gè)作用于整個(gè)PCB表面的均勻熱流通量。熱分析可預(yù)測出 平均環(huán)境溫度，使設(shè)計(jì)人員用于計(jì)算元器件的功耗，通過進(jìn)一步重復(fù)計(jì)算元件溫度知道是否還需要作其他工作。一般電子元器件制造商都提供有元器件規(guī)格，包括正常工作的最高溫度。元件性能通常會(huì)受環(huán)境溫度或元件內(nèi)部溫度的影響，消費(fèi)類電子產(chǎn)品常采用塑封元件，其工作最高溫度是85；而軍用產(chǎn)品常使用陶瓷件，工作最高溫度為125 C,額定最高溫度通常是105c。PCBS計(jì)人員可利 用器件制造商提供的“溫度 / 功率”曲線確定出某個(gè)溫度下元件的功耗。計(jì)算元

12、件溫度最準(zhǔn)確的方法是作瞬態(tài)熱分析，但是確定元件的瞬時(shí)功耗十分困難。一個(gè)比較好的折衷方法是在穩(wěn)態(tài)條件下分別進(jìn)行額定和最差狀況分析。PCBg到各種類型熱量的影響，可以應(yīng)用的典型熱邊界條件包括：前后表面發(fā)出的自然或強(qiáng)制對(duì)流；前后表面發(fā)出的熱輻射；從PCBi緣到設(shè)備外殼的傳導(dǎo)；通過剛性或撓性連接器到其他PCB的傳導(dǎo)；從PCB到支架（螺栓或粘合固定）的傳導(dǎo)；2個(gè)PC映層之間散熱器的傳導(dǎo)。目前有很多種形式的熱模擬工具，基本熱模型及 分析工具包括分析任意結(jié)構(gòu)的通用工具、用于系統(tǒng)流程/傳熱分析的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）工具，以及用于詳細(xì)PCBft元件建模的PCB應(yīng)用工具。4.2基本過程在不影響并有助于提高系統(tǒng)電性能指標(biāo)的前提下，依據(jù)提供的成熟經(jīng)驗(yàn)，加速PCEB設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)及熱分析預(yù)估及器件級(jí)熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過板級(jí)熱仿真預(yù) 估熱設(shè)計(jì)結(jié)果，尋找設(shè)計(jì)缺陷，并提供系統(tǒng)級(jí)解決技術(shù)方案或變更器件級(jí)解決技術(shù)方案。 通過熱性能測量對(duì)熱設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)技術(shù)方案的